總線電磁脈沖同步注入系統及試驗

陳曉微，王添文，薛 峰，趙少瓊，趙煒銘

(中國兵器工業新技術推廣研究所，北京 100089)

隨著1962年，美國太平洋約翰斯頓島上空40 km處進行一次威力為140萬頓TNT當量、代號為“海盤車”的高空核試驗的進行，使1 280 km之外的夏威夷瓦胡島上大面積停電，電話中斷、收音機不響、各種電子儀器故障，后經專家研究才發現罪魁禍首是核電磁脈沖。自此之后，越來越多的學者開始研究電磁脈沖模擬器，開展電磁脈沖環境條件下電子設備的敏感及損傷效應研究。2014年周開明等分析了實驗室瞬態X射線產生的系統電磁脈沖(SGEMP)效應測試所面臨的技術問題，提出了實驗室模擬瞬態X射線的SGEMP模擬試驗方法[1]。馬繼峰結合CST軟件特點開展了控制系統電磁脈沖輻射環境分析方案設計，并選取設計方案中的典型部分開展了電磁脈沖輻射環境分析試驗，得到了分析結論[2]。周啟明從響應的角度論述了強脈沖X射線裝置和各種電激勵技術模擬實驗裝置，兩類系統的電磁脈沖(SGEMP)模擬信號源[3]。中物院電子學研究所在HPM研究上，利用感應直線加速器產生的3.3 MV、1.5 KA、90 ns電子束，獲得了34.5 GHz、140 MW的峰值功率。另外還有相關研究所正進行電磁軌道炮的研究[4]。國內對電磁脈沖耦合機理的研究，大多集中在單線傳輸線和天線，對涉及數據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]，研究目標和人員比較分散，整體水平與發達國家存在很大的差距，尤其是缺乏對電子設備在強電磁脈沖環境下的敏感及損傷情況的研究。在電磁脈沖試驗方面，強電磁脈沖場模擬手段不夠完善，雖然建立了一些電磁脈沖模擬設備，但技術相對落后，試驗配套設施不夠健全，目前解放軍理工大學在線纜的電磁脈沖注入系統方面開展了研究[6]，但其注入系統只能隨機注入，不能對總線電平信號進行同步注入。在電磁脈沖防護方面，目前集中在理論研究，缺少具體的防護特性測量以及防護數據，如防護元器件的防護特性、屏蔽電纜的防護特性、防護裝置的防護特性，缺少建立電磁脈沖損傷評估系統來評估對數據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，用于開展數據總線的電磁脈沖試驗。數據總線廣泛應用于武器系統，用于控制以及聯絡武器系統各部件，在某種程度上總線是武器系統的控制中樞，其在電磁脈沖條件下的響應特性將影響武器系統的工作特性。

1 電磁脈沖試驗評估系統

現有的電磁脈沖試驗評估系統一般有2種：一種是電磁脈沖輻照系統，電磁脈沖波形發生器產生電磁脈沖波形，通過天線發射，對電子產品進行整體輻照，觀察產品的響應特性；另一種是電磁脈沖注入系統，電磁脈沖通過注入卡鉗將電磁脈沖注入到線纜上，美軍標MIL-STD-188-125-2采用注入的方法來評估防護模塊的防護效果[7]。現有的電磁脈沖波形發生器一般都是通過升壓模塊升壓，產生連續可調直流高壓電源對儲能電容充電，電容充滿電后通過開關對負載(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生器只能間隔式產生單個的電磁脈沖，該波形產生的方式是隨機的，在進行總線線纜電磁脈沖注入試驗時，很難控制將電磁脈沖信號注入到所指定的信號電平位置上。

電磁脈沖發生器產生的是瞬態的電磁脈沖，干擾信號脈寬為ns級，如GJB 151B規定的電磁脈沖波形，其脈沖寬度為23 ns，峰值場強為50 kV/m[9]，而總線信號是個周期信號，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，根據CAN擴展數據幀如圖1所示[10]，其最長時間為150位×1 μs=150 μs。只有當瞬態干擾疊加到數據電平信號時，才能使總線信號產生翻轉或者信號干擾。電磁脈沖波形發生器每次的觸發間隔時間最小是2～3 s，而這種觸發相對信號電平來說是隨機的，因此很難讓電磁脈沖干擾信號疊加到總線電平，更不用說疊加到具體的總線電平碼位上，如仲裁段、控制端、數據段和CRC。

圖1 CAN總線擴展數據幀

要使總線產生通信誤碼，必須將干擾疊加到總線電平信號上，電磁脈沖為ns級的干擾信號，而CAN總線發送信號的周期為ms級，在1個周期內總線電平信號只有幾十μs到上百μs，如果通過隨機的方式將干擾信號施加到總線電平上，很難出現誤碼現象，只能出現復位或死機的現象。

2 模擬電磁脈沖同步注入系統

為了使每次產生的干擾信號都能疊加到總線信號上，設計了一種總線模擬電磁脈沖同步注入系統。該系統組成如圖2所示，產生的電磁脈沖模型波形如圖3所示，其工作原理是：任意波形發生器產生的電磁脈沖波形，經過寬頻功率放大器放大后，通過注入卡鉗注入到總線信號上。另外通過示波器監測總線信號，如總線工作時，產生TTL電平觸發任意波形發生器，調節任意波形發生器觸發延時，使得干擾信號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測注入電流大小，總線解碼示波器解碼總線波形數據。該系統既可以同步注入也可以隨機注入，還可以調節注入的間隔。

圖2 總線電磁脈沖同步注入系統

圖3 電磁脈沖模擬波形

模擬電磁脈沖同步注入系統與電磁脈沖注入系統相比，優缺點見表1。模擬電磁脈沖同步注入系統的主要優點是可以與示波器觸發配合，將干擾波形注入到所規定的總線信號的任意位置，可以產生多種干擾波形，可以觀察總線碼型發生變化，其最大的缺點是能量小，波形受限于任意波形發生器的精度和功放寬頻放大系數；而傳統的電磁脈沖注入系統優點是高壓，大電流，但無法指定位置注入，只能隨機注入。

表1 2種注入系統的優缺點比較

3 CAN總線電磁脈沖模擬注入試驗

按照圖2所示進行總線電磁脈沖模擬注入試驗，觀察電磁脈沖不同位置注入、不同觸發類型、不同傳輸速率時CAN總線的敏感特性。表2為電磁脈沖從空閑位同步注入，觸發間隔20 ms，總線主機發送1 000次數據時，總線終端接收次數的數據。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，觸發間隔為20 ms)

表3為電磁脈沖在隨機觸發條件下，當觸發間隔為1 s時，很難引起總線傳輸敏感，在傳輸速率一致的條件下，隨著觸發間隔逐漸變小，其開始容易敏感。當傳輸速率為1 M時，比較敏感。這表明傳輸速率越快，單位時間出現的總線電平越多，干擾越有機會疊加到總線電平上。

表3 EMP隨機觸發

表4為電磁脈沖在同步觸發條件下，觸發間隔為20 ms。從表4可以看出，在不同位置注入時，其敏感情況有差別，在CRC位、EFF位注入較敏感，數字位注入較不敏感。同步觸發時，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，在數字位置(66)注入干擾如圖5所示，在數字位置(22)注入干擾如圖6所示。

表4 EMP同步觸發(位置可調)

圖4 正常的CAN總線電平

圖5 在數字位置(66)注入干擾

圖6 在數字位置(22)注入干擾

4 結語

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