基于DSP技術的重頻脈沖源及軟件加固

李小龍 馮德仁 馬麗華 于成大 王相綦

1 (安徽工業大學 馬鞍山 243032)

2 (中國人民解放軍63961部隊 北京 100102)

3 (中國科學技術大學國家同步輻射實驗室 合肥 230029)

電磁脈沖模擬器是模擬高空核爆炸電磁脈沖(HEMP)輻射環境的裝置，廣泛應用于電子設備和分系統電磁脈沖(EMP)輻射敏感度測試以及屏蔽室電磁脈沖屏蔽效能測試等。

相對于單電磁脈沖，間隔數十μs或更短的高重頻電磁脈沖群，更接近電子設備真實的脈沖電磁環境。自然界雷電閃擊，就是典型的重頻電磁脈沖作用的過程[1–4]。在工業配電中，各種快速瞬變的操作過電壓(如切空線壓、合閘過電壓等)，會產生強烈的電磁輻射，形成高重頻脈沖電磁場[5,6]。重頻脈沖與電子設備交互作用存在累積效應[7,8]，對電子設備進行重頻電磁脈沖環境干擾效應實驗[9,10]，分析、預測電子系統在重頻電磁環境中的抗干擾能力，可為必要的加固防護提供重要的理論和實際依據。

對于電子設備的防護加固技術，目前常用金屬屏蔽、合理布線等硬件防護措施[11,12]，這些措施對于強電磁干擾的防護效果明顯，但增加了成本和設備的體積與重量，且受設備或元器件的幾何形狀限制。軟件加固基于合理的算法和優化程序，其實施具有較大的靈活性，對于非周期性干擾環境，軟件加固技術尤有優勢。

本文用氫閘流管開關結合數字信號處理器(DSP)技術，采用多路脈沖等間距延時觸發獲得高重頻脈沖源，同時用平行板型有界波模擬器進行重頻電磁脈沖對DSP效應實驗，探索DSP系統在重頻DSP環境下通過軟件加固技術提高抗干擾能力的可行性。

1 重頻脈沖源研制

重頻EMP源脈沖間隔僅為數十μs或更短[13]，在重頻脈沖數量超過3路，且要求以任意組合方式輸出重頻脈沖時，其控制系統較復雜。我們設計了一種基于DSP、光纖通信和計算機(PC)上位機的觸發脈沖控制系統，研制了一套輸出脈沖幅值為 50 kV、功率2.5 MW、最小脈沖間隔100 μs、前沿小于20 ns、寬度10 μs左右的重頻EMP源。系統框圖見圖1。

圖1 高重頻脈沖模擬器Fig.1 Schematics of the high frequency EMP simulator.

重頻脈沖源由5路單脈沖源并聯組成，可獨立輸出單脈沖，或以時間關聯向負載輸出重頻脈沖群，后者采用多脈沖源等間距延時輸出方式來實現，使輸出的重頻脈沖群以10 μs為步長調節間距。圖2為觸發控制方案的原理圖，其中DSP用來產生頻率與脈沖間隔均可調節的PWM(Pulse Width Modulation)波形，通過光纖傳輸傳遞給觸發脈沖調理電路經驅動放大觸發氫閘流管。PC上位機通過 RS232接口與 DSP進行通信，遠程控制整個觸發控制系統。為方便現場調試，添加本地控制模塊，鍵盤輸入控制系統各功能信號，LCD實時顯示系統信息。

圖2 基于DSP、光纖通信和上位機的觸發控制方案原理Fig.2 Schematics of the DSP-based triggered control,with optical fiber communication and PC.

1.1 硬件電路設計

觸發控制系統以 DSP為核心，型號是TMS320F2812。光纖傳輸模塊采用單收、單發光模塊，型號OCM3343-T/R，最高傳輸速率2 Mbps。

1.1.1 DSP通信

DSP提供兩路串行口與PC機進行通信，考慮到PC機的兼容性，采用RS-232通信方式。為防止電磁干擾，將控制機箱置于遠離脈沖源處，但為了對DSP的抗干擾能力及軟件加固技術進行測試，DSP系統置于脈沖源附近。

OCM3343-T/R是FC尾纖型單發、單收光模塊，接口電平完全兼容TTL或CMOS電平，可直接與DSP相連，省略了電平轉換電路，簡化了傳輸系統，提高了抗干擾能力。

系統空間布置如圖3所示。

圖3 系統空間布置簡圖Fig.3 Layout of the system.

1.1.2 觸發信號調理電路

良好的氫閘流管柵極觸發脈沖波形對縮短放電脈沖電流相對于同步觸發脈沖的時間延遲、減小延遲時間的抖動，以及保重氫閘流管準確無誤的觸發至關重要。理想的觸發脈沖波形應具有較陡的前沿及較高的觸發脈沖峰值。觸發脈沖時鐘信號由DSP產生，經光纖傳輸至光模塊解調。解調后的時鐘信號經調理電路轉換成用于觸發氫閘流管的觸發信號，圖4為氫閘流管觸發脈沖調理電路。

圖4 觸發脈沖調理電路Fig.4 Trigger pulse conditioning circuit.

1.2 軟件設計

1.2.1 下位機程序設計

正常開機時DSP首先檢測其芯片功能、外部存儲設備及觸發調理電路等設備是否正常。通過掃描本控與遠控按鍵判斷程序是運行于本地測試階段還是上位機控制階段。系統處于本控模式或遠控模式，均可實現多路觸發脈沖輸出，還具有輸出脈沖電壓穩定調節及整個系統過壓、過流保護、觸發脈沖監測等功能，其主程序流程圖如圖5所示。

在整個控制系統中，最重要的是多路觸發間隔、頻率可調控制算法，設計的算法如下：

(1) 開啟GP1定時器周期中斷。系統時鐘輸出頻率最大設定為10 Hz，因此，設定GP1定時周期為0.1 s，同時軟件計數器計數周期中斷次數。

(2) 用軟件計數器方式實現各輸出頻率調節。當輸出頻率設定后，軟件計數器的溢出閾值同時確定。軟件計數器溢出后，復位軟件計數器，同時等間隔輸出用于觸發時鐘脈沖。

(3) 觸發時鐘脈沖間隔由一個固定時長為10 μs的延遲函數確定，系統在確定輸出路數(如設定第1路和第 3路輸出)后根據設定的脈沖間隔調用該函數的倍數次，即可實現以 10 μs為步長，100–1000 μs連續可調的時鐘脈沖間隔輸出。

1.2.2 上位機界面設計

界面友好的上位機控制系統可對模擬器運行狀態進行監控及實驗數據的存儲等。如圖 6，該系統界面集成了電壓調節、脈沖選擇、頻率調節、電壓監控以及脈沖監測等功能。當系統出現電源故障或脈沖丟失時，該界面能及時發出警告，并作降低電壓等初步處理方法。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of the main program.

圖6 上位機界面Fig.6 System interface of the EMP simulator on the PC.

2 抗干擾設計

重頻 EMP的高頻耦合和積累效應對電子設備的正常運行產生嚴重干擾，DSP是高速數字邏輯處理器，工作頻率為150 MHz，極易與EMP高頻分量發生高頻交互耦合，嚴重影響DSP正常運行。因此，本設計旨在提高重頻 EMP調制器觸發控制系統的抗干擾能力，從軟硬件兩方面來提高DSP的抗干擾能力，其中軟件加固技術是研究重點。

2.1 硬件抗干擾

在設計DSP的PCB板時采用多層板層疊式設計方案。這種方式可提供最短的回流路徑，減小耦合面積，抑制差模干擾，同時，設計中分配有專門的電源層和敷地層，其緊密結合能提高系統抑制共模干擾能力[14]，使重要信號的布線路徑有更大的空間選擇(圖 7)。在元器件布局時，DSP、FLASH和SRAM等高速器件之間盡量接近，其連線盡量縮短，甚至采用直接相連的方式減少跨導線。

為減少從電源和輸入輸出(I/O)口串入的干擾，選用性能優良的電源芯片，在其輸入電源線上串接共模扼流圈以及輸出端上并聯多個0.1 μf小電容提高其抗干擾能力。脈沖輸出引腳采用高速光耦器件隔離，有效抑制了從I/O口串入的干擾。

DSP控制板和外圍接口電路板等安裝在一個密閉的金屬機箱中，機箱可靠接地，只留出與外部的連接線，當重頻 EMP在機箱中感應電流時可及時流入大地，減小對 DSP控制板及外圍電路板的干擾。金屬箱電源饋線加裝電源線濾波器，減小從電源饋線串入的干擾。

圖7 四層PCB的層疊式設計Fig.7 Diagram of the four layer PCB stacked design.

2.2 軟件抗干擾

由于放置 DSP的機箱不可避免地預留供電源饋線、信號線、本控鍵盤、電源散熱孔等孔縫，在高頻環境下構成接收天線，增加了重頻 EMP的入侵機會，對DSP正常運行產生干擾。因此，在硬件抗干擾基礎上，加強了軟件加固技術，加入了抗干擾程序，以保證觸發控制系統安全、穩定的運行。

DSP受干擾時會出現程序執行錯誤、死機等，增添軟件陷阱、開啟看門狗等措施使程序出現錯誤時回到正常運行狀態。DSP看門狗模塊具有獨立的使能端和硬件計數器，在計數器溢出前通過“喂狗”指令復位看門狗計數器以阻止看門狗復位內核或產生中斷信號。系統寄存器SCSR中WDENINT位所決定的看門狗是輸出復位內核信號還是輸出中斷信號。

軟件抗干擾程序設計思路如下：

(1) 在程序中開啟看門狗，系統初始化時選擇看門狗計數器溢出產生中斷信號即WDENINT=1。

(2) 程序正常運行時，在看門狗計數器溢出前及時“喂狗”來清零計數器，阻止中斷信號的產生。

(3) 當程序受到干擾而亂飛或死機情況下不能正常的“喂狗”時，看門狗向CPU發出中斷信號，CPU立即響應并執行看門狗中斷服務子程序(ISR, Interrupt Service Routines)，在ISR中調用軟件陷阱程序：

Save_System_information(); ①

EALLOW;

SysCtrlRegs.WDCR= 0x000D; ②

EDIS;

該程序的作用是首先將系統中重要變量信息(如脈沖輸出信息、脈沖間隔信息、電壓調節信息、異常中斷標志位等)保存到外部ROM中(程序①)，然后調用程序②復位內核。

在DSP重新啟動后，主程序首先從外部ROM中讀入異常中斷標志位，判斷系統是正常復位還是異常復位。若異常復位則繼續從ROM中讀入已保存的值賦給相應的變量，而正常復位時則是清零這些變量(圖5)，此時系統中相關變量得到前次運行時的參數，繼續運行下去，復原了系統異常復位前的工作狀態，使程序得以正常的運行。

DSP支持一個不可屏蔽中斷、16個可屏蔽中斷及多個用戶自定義陷阱中斷等，其中可屏蔽中斷中的INT1-INT12又分為96個外設級中斷，而用戶程序只使用其中的一個或幾個。若DSP運行時受到干擾，開放了用戶沒有用到的中斷時，就會出現死機現象。雖可通過看門狗模塊來復位與還原系統，但實時性下降了。因此，對于未使用的中斷，依然在其 ISR中調用上面的軟件陷阱。程序正常運行時CPU不會運行未開啟的ISR，當DSP受到干擾，意外開啟這些中斷后，CPU立即運行這些ISR，及時復位與還原系統，使實時性得到保障。

DSP軟件加固技術對于非周期性干擾表現出良好的抗干擾能力，但對于周期性的強干擾，其抗干擾能力猶有不足。目前周期性的強干擾主要還是采取硬件屏蔽及改變電路結構來實現抗干擾能力，對于如何用軟件加固技術達到較為理想的抗干擾效果仍需進一步研究。

3 實驗結果

重頻脈沖源及控制系統安裝完成后，進行了一系列輸出2重頻雙指數波EMP實驗，其系統如圖8。設定脈沖群重復頻率5 Hz，脈沖間隔100 μs，負載匹配電阻Rd為硫酸銅水溶液，阻值約1 k?(20oC，直流條件下測試)，工作電壓25 kV。圖9為DSP輸出兩路驅動脈沖波形，可以看出兩路脈沖精準控制100 μs的間隔，圖10為重頻EMP調制器輸出脈沖波形，可以看出兩路調制器輸出波形一致。放置DSP的機箱中電磁場頻譜如圖11，可見其高頻分量仍較大。試驗過程中，觸發控制系統工作良好，DSP未出現任何程序亂飛或死機現象，電磁屏蔽效能優良。

圖8 有界波模擬器結構圖Fig.8 Structure of the bounded wave simulator.

圖9 DSP輸出觸發脈沖Fig.9 Waveform of the DSP output.

圖10 兩路脈沖調制器輸出波形Fig.10 Waveform of the pulse modulator output.

圖11 機箱中的電磁場頻譜圖Fig.11 Electromagnetic spectrum in the cabinet.

4 結語

采用氫閘流管結合 DSP控制技術的多路脈沖源等間距延時輸出方式可產生重頻 EMP，脈沖頻率、間隔均可調節，在重頻 EMP環境下，通過光模塊可遠距離傳輸觸發脈沖信號，傳輸過程幾乎未受到干擾，獲得了較為理想的氫閘流管觸發脈沖信號。整個實驗過程中，采用軟件加固技術后的DSP

控制系統工作穩定，無論是控制器或通信系統均無受到較大干擾，重頻EMP輸出穩定可靠。

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