總線電磁脈沖同步注入系統(tǒng)及試驗(yàn)

陳曉微，王添文，薛 峰，趙少瓊，趙煒銘

(中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089)

隨著1962年，美國太平洋約翰斯頓島上空40 km處進(jìn)行一次威力為140萬頓TNT當(dāng)量、代號(hào)為“海盤車”的高空核試驗(yàn)的進(jìn)行，使1 280 km之外的夏威夷瓦胡島上大面積停電，電話中斷、收音機(jī)不響、各種電子儀器故障，后經(jīng)專家研究才發(fā)現(xiàn)罪魁禍?zhǔn)资呛穗姶琶}沖。自此之后，越來越多的學(xué)者開始研究電磁脈沖模擬器，開展電磁脈沖環(huán)境條件下電子設(shè)備的敏感及損傷效應(yīng)研究。2014年周開明等分析了實(shí)驗(yàn)室瞬態(tài)X射線產(chǎn)生的系統(tǒng)電磁脈沖(SGEMP)效應(yīng)測(cè)試所面臨的技術(shù)問題，提出了實(shí)驗(yàn)室模擬瞬態(tài)X射線的SGEMP模擬試驗(yàn)方法[1]。馬繼峰結(jié)合CST軟件特點(diǎn)開展了控制系統(tǒng)電磁脈沖輻射環(huán)境分析方案設(shè)計(jì)，并選取設(shè)計(jì)方案中的典型部分開展了電磁脈沖輻射環(huán)境分析試驗(yàn)，得到了分析結(jié)論[2]。周啟明從響應(yīng)的角度論述了強(qiáng)脈沖X射線裝置和各種電激勵(lì)技術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，兩類系統(tǒng)的電磁脈沖(SGEMP)模擬信號(hào)源[3]。中物院電子學(xué)研究所在HPM研究上，利用感應(yīng)直線加速器產(chǎn)生的3.3 MV、1.5 KA、90 ns電子束，獲得了34.5 GHz、140 MW的峰值功率。另外還有相關(guān)研究所正進(jìn)行電磁軌道炮的研究[4]。國內(nèi)對(duì)電磁脈沖耦合機(jī)理的研究，大多集中在單線傳輸線和天線，對(duì)涉及數(shù)據(jù)總線的傳輸線屏蔽雙絞線以及同軸線的前門耦合以及后門耦合研究較少，缺乏系統(tǒng)性。在電磁脈沖損傷，基本停留在器件閾值的仿真上[5]，研究目標(biāo)和人員比較分散，整體水平與發(fā)達(dá)國家存在很大的差距，尤其是缺乏對(duì)電子設(shè)備在強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境下的敏感及損傷情況的研究。在電磁脈沖試驗(yàn)方面，強(qiáng)電磁脈沖場(chǎng)模擬手段不夠完善，雖然建立了一些電磁脈沖模擬設(shè)備，但技術(shù)相對(duì)落后，試驗(yàn)配套設(shè)施不夠健全，目前解放軍理工大學(xué)在線纜的電磁脈沖注入系統(tǒng)方面開展了研究[6]，但其注入系統(tǒng)只能隨機(jī)注入，不能對(duì)總線電平信號(hào)進(jìn)行同步注入。在電磁脈沖防護(hù)方面，目前集中在理論研究，缺少具體的防護(hù)特性測(cè)量以及防護(hù)數(shù)據(jù)，如防護(hù)元器件的防護(hù)特性、屏蔽電纜的防護(hù)特性、防護(hù)裝置的防護(hù)特性，缺少建立電磁脈沖損傷評(píng)估系統(tǒng)來評(píng)估對(duì)數(shù)據(jù)總線的敏感特性研究。

本文介紹了一種總線模擬電磁脈沖同步注入系統(tǒng)，用于開展數(shù)據(jù)總線的電磁脈沖試驗(yàn)。數(shù)據(jù)總線廣泛應(yīng)用于武器系統(tǒng)，用于控制以及聯(lián)絡(luò)武器系統(tǒng)各部件，在某種程度上總線是武器系統(tǒng)的控制中樞，其在電磁脈沖條件下的響應(yīng)特性將影響武器系統(tǒng)的工作特性。

1 電磁脈沖試驗(yàn)評(píng)估系統(tǒng)

現(xiàn)有的電磁脈沖試驗(yàn)評(píng)估系統(tǒng)一般有2種：一種是電磁脈沖輻照系統(tǒng)，電磁脈沖波形發(fā)生器產(chǎn)生電磁脈沖波形，通過天線發(fā)射，對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行整體輻照，觀察產(chǎn)品的響應(yīng)特性；另一種是電磁脈沖注入系統(tǒng)，電磁脈沖通過注入卡鉗將電磁脈沖注入到線纜上，美軍標(biāo)MIL-STD-188-125-2采用注入的方法來評(píng)估防護(hù)模塊的防護(hù)效果[7]?，F(xiàn)有的電磁脈沖波形發(fā)生器一般都是通過升壓模塊升壓，產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)直流高壓電源對(duì)儲(chǔ)能電容充電，電容充滿電后通過開關(guān)對(duì)負(fù)載(如有界波電磁脈沖模擬器、GTEM室等)放電形成所需脈沖[8]。這種電磁脈沖波形發(fā)生器只能間隔式產(chǎn)生單個(gè)的電磁脈沖，該波形產(chǎn)生的方式是隨機(jī)的，在進(jìn)行總線線纜電磁脈沖注入試驗(yàn)時(shí)，很難控制將電磁脈沖信號(hào)注入到所指定的信號(hào)電平位置上。

電磁脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的是瞬態(tài)的電磁脈沖，干擾信號(hào)脈寬為ns級(jí)，如GJB 151B規(guī)定的電磁脈沖波形，其脈沖寬度為23 ns，峰值場(chǎng)強(qiáng)為50 kV/m[9]，而總線信號(hào)是個(gè)周期信號(hào)，總線傳輸速率從幾十K到幾十M。以CAN總線為例，最高傳輸速率為1 M，每位的位寬為1 μs級(jí)，根據(jù)CAN擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀如圖1所示[10]，其最長時(shí)間為150位×1 μs=150 μs。只有當(dāng)瞬態(tài)干擾疊加到數(shù)據(jù)電平信號(hào)時(shí)，才能使總線信號(hào)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)或者信號(hào)干擾。電磁脈沖波形發(fā)生器每次的觸發(fā)間隔時(shí)間最小是2～3 s，而這種觸發(fā)相對(duì)信號(hào)電平來說是隨機(jī)的，因此很難讓電磁脈沖干擾信號(hào)疊加到總線電平，更不用說疊加到具體的總線電平碼位上，如仲裁段、控制端、數(shù)據(jù)段和CRC。

圖1 CAN總線擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀

要使總線產(chǎn)生通信誤碼，必須將干擾疊加到總線電平信號(hào)上，電磁脈沖為ns級(jí)的干擾信號(hào)，而CAN總線發(fā)送信號(hào)的周期為ms級(jí)，在1個(gè)周期內(nèi)總線電平信號(hào)只有幾十μs到上百μs，如果通過隨機(jī)的方式將干擾信號(hào)施加到總線電平上，很難出現(xiàn)誤碼現(xiàn)象，只能出現(xiàn)復(fù)位或死機(jī)的現(xiàn)象。

2 模擬電磁脈沖同步注入系統(tǒng)

為了使每次產(chǎn)生的干擾信號(hào)都能疊加到總線信號(hào)上，設(shè)計(jì)了一種總線模擬電磁脈沖同步注入系統(tǒng)。該系統(tǒng)組成如圖2所示，產(chǎn)生的電磁脈沖模型波形如圖3所示，其工作原理是：任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的電磁脈沖波形，經(jīng)過寬頻功率放大器放大后，通過注入卡鉗注入到總線信號(hào)上。另外通過示波器監(jiān)測(cè)總線信號(hào)，如總線工作時(shí)，產(chǎn)生TTL電平觸發(fā)任意波形發(fā)生器，調(diào)節(jié)任意波形發(fā)生器觸發(fā)延時(shí)，使得干擾信號(hào)疊加到總線電平上及所需要觀察的碼位上。另外使用電流探頭監(jiān)測(cè)注入電流大小，總線解碼示波器解碼總線波形數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)既可以同步注入也可以隨機(jī)注入，還可以調(diào)節(jié)注入的間隔。

圖2 總線電磁脈沖同步注入系統(tǒng)

圖3 電磁脈沖模擬波形

模擬電磁脈沖同步注入系統(tǒng)與電磁脈沖注入系統(tǒng)相比，優(yōu)缺點(diǎn)見表1。模擬電磁脈沖同步注入系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以與示波器觸發(fā)配合，將干擾波形注入到所規(guī)定的總線信號(hào)的任意位置，可以產(chǎn)生多種干擾波形，可以觀察總線碼型發(fā)生變化，其最大的缺點(diǎn)是能量小，波形受限于任意波形發(fā)生器的精度和功放寬頻放大系數(shù)；而傳統(tǒng)的電磁脈沖注入系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是高壓，大電流，但無法指定位置注入，只能隨機(jī)注入。

表1 2種注入系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較

3 CAN總線電磁脈沖模擬注入試驗(yàn)

按照?qǐng)D2所示進(jìn)行總線電磁脈沖模擬注入試驗(yàn)，觀察電磁脈沖不同位置注入、不同觸發(fā)類型、不同傳輸速率時(shí)CAN總線的敏感特性。表2為電磁脈沖從空閑位同步注入，觸發(fā)間隔20 ms，總線主機(jī)發(fā)送1 000次數(shù)據(jù)時(shí)，總線終端接收次數(shù)的數(shù)據(jù)。從表2中可以看出，該條件下，其敏感電流約為1.2 A。

表2 EMP空閑位同步注入(同步觸發(fā)，觸發(fā)間隔為20 ms)

表3為電磁脈沖在隨機(jī)觸發(fā)條件下，當(dāng)觸發(fā)間隔為1 s時(shí)，很難引起總線傳輸敏感，在傳輸速率一致的條件下，隨著觸發(fā)間隔逐漸變小，其開始容易敏感。當(dāng)傳輸速率為1 M時(shí)，比較敏感。這表明傳輸速率越快，單位時(shí)間出現(xiàn)的總線電平越多，干擾越有機(jī)會(huì)疊加到總線電平上。

表3 EMP隨機(jī)觸發(fā)

表4為電磁脈沖在同步觸發(fā)條件下，觸發(fā)間隔為20 ms。從表4可以看出，在不同位置注入時(shí)，其敏感情況有差別，在CRC位、EFF位注入較敏感，數(shù)字位注入較不敏感。同步觸發(fā)時(shí)，隨著傳輸速率的提高，敏感程度更明顯。正常的CAN總線電平如圖4所示，在數(shù)字位置(66)注入干擾如圖5所示，在數(shù)字位置(22)注入干擾如圖6所示。

表4 EMP同步觸發(fā)(位置可調(diào))

圖4 正常的CAN總線電平

圖5 在數(shù)字位置(66)注入干擾

圖6 在數(shù)字位置(22)注入干擾

4 結(jié)語

通過試驗(yàn)可以看出，該總線電磁脈沖模擬注入系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)低電平的電磁脈沖模擬注入，可以隨機(jī)注入，也可以指定位置同步注入，另外可以設(shè)置注入間隔。從CAN總線電磁脈沖模擬注入試驗(yàn)可以看出：1)隨著觸發(fā)間隔變小，電磁脈沖注入的次數(shù)變多，其更容易敏感；2)隨著傳輸速率變快，同步注入時(shí)，CRC位置、EFF位置比數(shù)字位敏感；3)隨著傳輸速率的提高，也容易敏感。