基于DSP技術(shù)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(yè)大學(xué) 馬鞍山 243032)

2 (中國人民解放軍63961部隊 北京 100102)

3 (中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(huán)境的裝置，廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備和分系統(tǒng)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(shù)十μs或更短的高重頻電磁脈沖群，更接近電子設(shè)備真實的脈沖電磁環(huán)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(yè)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(chǎn)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(shè)備交互作用存在累積效應(yīng)[7,8]，對電子設(shè)備進(jìn)行重頻電磁脈沖環(huán)境干擾效應(yīng)實驗[9,10]，分析、預(yù)測電子系統(tǒng)在重頻電磁環(huán)境中的抗干擾能力，可為必要的加固防護(hù)提供重要的理論和實際依據(jù)。

對于電子設(shè)備的防護(hù)加固技術(shù)，目前常用金屬屏蔽、合理布線等硬件防護(hù)措施[11,12]，這些措施對于強電磁干擾的防護(hù)效果明顯，但增加了成本和設(shè)備的體積與重量，且受設(shè)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(yōu)化程序，其實施具有較大的靈活性，對于非周期性干擾環(huán)境，軟件加固技術(shù)尤有優(yōu)勢。

本文用氫閘流管開關(guān)結(jié)合數(shù)字信號處理器(DSP)技術(shù)，采用多路脈沖等間距延時觸發(fā)獲得高重頻脈沖源，同時用平行板型有界波模擬器進(jìn)行重頻電磁脈沖對DSP效應(yīng)實驗，探索DSP系統(tǒng)在重頻DSP環(huán)境下通過軟件加固技術(shù)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(shù)十μs或更短[13]，在重頻脈沖數(shù)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(tǒng)較復(fù)雜。我們設(shè)計了一種基于DSP、光纖通信和計算機(PC)上位機的觸發(fā)脈沖控制系統(tǒng)，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(tǒng)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(lián)組成，可獨立輸出單脈沖，或以時間關(guān)聯(lián)向負(fù)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(xiàn)，使輸出的重頻脈沖群以10 μs為步長調(diào)節(jié)間距。圖2為觸發(fā)控制方案的原理圖，其中DSP用來產(chǎn)生頻率與脈沖間隔均可調(diào)節(jié)的PWM(Pulse Width Modulation)波形，通過光纖傳輸傳遞給觸發(fā)脈沖調(diào)理電路經(jīng)驅(qū)動放大觸發(fā)氫閘流管。PC上位機通過 RS232接口與 DSP進(jìn)行通信，遠(yuǎn)程控制整個觸發(fā)控制系統(tǒng)。為方便現(xiàn)場調(diào)試，添加本地控制模塊，鍵盤輸入控制系統(tǒng)各功能信號，LCD實時顯示系統(tǒng)信息。

圖2 基于DSP、光纖通信和上位機的觸發(fā)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(shè)計

觸發(fā)控制系統(tǒng)以 DSP為核心，型號是TMS320F2812。光纖傳輸模塊采用單收、單發(fā)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(jìn)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(yuǎn)離脈沖源處，但為了對DSP的抗干擾能力及軟件加固技術(shù)進(jìn)行測試，DSP系統(tǒng)置于脈沖源附近。

OCM3343-T/R是FC尾纖型單發(fā)、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(zhuǎn)換電路，簡化了傳輸系統(tǒng)，提高了抗干擾能力。

系統(tǒng)空間布置如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)空間布置簡圖Fig.3 Layout of the system.

1.1.2 觸發(fā)信號調(diào)理電路

良好的氫閘流管柵極觸發(fā)脈沖波形對縮短放電脈沖電流相對于同步觸發(fā)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(zhǔn)確無誤的觸發(fā)至關(guān)重要。理想的觸發(fā)脈沖波形應(yīng)具有較陡的前沿及較高的觸發(fā)脈沖峰值。觸發(fā)脈沖時鐘信號由DSP產(chǎn)生，經(jīng)光纖傳輸至光模塊解調(diào)。解調(diào)后的時鐘信號經(jīng)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成用于觸發(fā)氫閘流管的觸發(fā)信號，圖4為氫閘流管觸發(fā)脈沖調(diào)理電路。

圖4 觸發(fā)脈沖調(diào)理電路Fig.4 Trigger pulse conditioning circuit.

1.2 軟件設(shè)計

1.2.1 下位機程序設(shè)計

正常開機時DSP首先檢測其芯片功能、外部存儲設(shè)備及觸發(fā)調(diào)理電路等設(shè)備是否正常。通過掃描本控與遠(yuǎn)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(tǒng)處于本控模式或遠(yuǎn)控模式，均可實現(xiàn)多路觸發(fā)脈沖輸出，還具有輸出脈沖電壓穩(wěn)定調(diào)節(jié)及整個系統(tǒng)過壓、過流保護(hù)、觸發(fā)脈沖監(jiān)測等功能，其主程序流程圖如圖5所示。

在整個控制系統(tǒng)中，最重要的是多路觸發(fā)間隔、頻率可調(diào)控制算法，設(shè)計的算法如下：

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

(2) 用軟件計數(shù)器方式實現(xiàn)各輸出頻率調(diào)節(jié)。當(dāng)輸出頻率設(shè)定后，軟件計數(shù)器的溢出閾值同時確定。軟件計數(shù)器溢出后，復(fù)位軟件計數(shù)器，同時等間隔輸出用于觸發(fā)時鐘脈沖。

(3) 觸發(fā)時鐘脈沖間隔由一個固定時長為10 μs的延遲函數(shù)確定，系統(tǒng)在確定輸出路數(shù)(如設(shè)定第1路和第 3路輸出)后根據(jù)設(shè)定的脈沖間隔調(diào)用該函數(shù)的倍數(shù)次，即可實現(xiàn)以 10 μs為步長，100–1000 μs連續(xù)可調(diào)的時鐘脈沖間隔輸出。

1.2.2 上位機界面設(shè)計

界面友好的上位機控制系統(tǒng)可對模擬器運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控及實驗數(shù)據(jù)的存儲等。如圖 6，該系統(tǒng)界面集成了電壓調(diào)節(jié)、脈沖選擇、頻率調(diào)節(jié)、電壓監(jiān)控以及脈沖監(jiān)測等功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)電源故障或脈沖丟失時，該界面能及時發(fā)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(shè)計

重頻 EMP的高頻耦合和積累效應(yīng)對電子設(shè)備的正常運行產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，DSP是高速數(shù)字邏輯處理器，工作頻率為150 MHz，極易與EMP高頻分量發(fā)生高頻交互耦合，嚴(yán)重影響DSP正常運行。因此，本設(shè)計旨在提高重頻 EMP調(diào)制器觸發(fā)控制系統(tǒng)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(shù)是研究重點。

2.1 硬件抗干擾

在設(shè)計DSP的PCB板時采用多層板層疊式設(shè)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(shè)計中分配有專門的電源層和敷地層，其緊密結(jié)合能提高系統(tǒng)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(dǎo)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(yōu)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(lián)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(dāng)重頻 EMP在機箱中感應(yīng)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(shè)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(yù)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(huán)境下構(gòu)成接收天線，增加了重頻 EMP的入侵機會，對DSP正常運行產(chǎn)生干擾。因此，在硬件抗干擾基礎(chǔ)上，加強了軟件加固技術(shù)，加入了抗干擾程序，以保證觸發(fā)控制系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運行。

DSP受干擾時會出現(xiàn)程序執(zhí)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(xiàn)錯誤時回到正常運行狀態(tài)。DSP看門狗模塊具有獨立的使能端和硬件計數(shù)器，在計數(shù)器溢出前通過“喂狗”指令復(fù)位看門狗計數(shù)器以阻止看門狗復(fù)位內(nèi)核或產(chǎn)生中斷信號。系統(tǒng)寄存器SCSR中WDENINT位所決定的看門狗是輸出復(fù)位內(nèi)核信號還是輸出中斷信號。

軟件抗干擾程序設(shè)計思路如下：

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

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

(3) 當(dāng)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(fā)出中斷信號，CPU立即響應(yīng)并執(zhí)行看門狗中斷服務(wù)子程序(ISR, Interrupt Service Routines)，在ISR中調(diào)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(tǒng)中重要變量信息(如脈沖輸出信息、脈沖間隔信息、電壓調(diào)節(jié)信息、異常中斷標(biāo)志位等)保存到外部ROM中(程序①)，然后調(diào)用程序②復(fù)位內(nèi)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(biāo)志位，判斷系統(tǒng)是正常復(fù)位還是異常復(fù)位。若異常復(fù)位則繼續(xù)從ROM中讀入已保存的值賦給相應(yīng)的變量，而正常復(fù)位時則是清零這些變量(圖5)，此時系統(tǒng)中相關(guān)變量得到前次運行時的參數(shù)，繼續(xù)運行下去，復(fù)原了系統(tǒng)異常復(fù)位前的工作狀態(tài)，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(shè)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(xiàn)死機現(xiàn)象。雖可通過看門狗模塊來復(fù)位與還原系統(tǒng)，但實時性下降了。因此，對于未使用的中斷，依然在其 ISR中調(diào)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(dāng)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(fù)位與還原系統(tǒng)，使實時性得到保障。

DSP軟件加固技術(shù)對于非周期性干擾表現(xiàn)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(jié)構(gòu)來實現(xiàn)抗干擾能力，對于如何用軟件加固技術(shù)達(dá)到較為理想的抗干擾效果仍需進(jìn)一步研究。

3 實驗結(jié)果

重頻脈沖源及控制系統(tǒng)安裝完成后，進(jìn)行了一系列輸出2重頻雙指數(shù)波EMP實驗，其系統(tǒng)如圖8。設(shè)定脈沖群重復(fù)頻率5 Hz，脈沖間隔100 μs，負(fù)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(qū)動脈沖波形，可以看出兩路脈沖精準(zhǔn)控制100 μs的間隔，圖10為重頻EMP調(diào)制器輸出脈沖波形，可以看出兩路調(diào)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(fā)控制系統(tǒng)工作良好，DSP未出現(xiàn)任何程序亂飛或死機現(xiàn)象，電磁屏蔽效能優(yōu)良。

圖8 有界波模擬器結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure of the bounded wave simulator.

圖9 DSP輸出觸發(fā)脈沖Fig.9 Waveform of the DSP output.

圖10 兩路脈沖調(diào)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(jié)語

采用氫閘流管結(jié)合 DSP控制技術(shù)的多路脈沖源等間距延時輸出方式可產(chǎn)生重頻 EMP，脈沖頻率、間隔均可調(diào)節(jié)，在重頻 EMP環(huán)境下，通過光模塊可遠(yuǎn)距離傳輸觸發(fā)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(fā)脈沖信號。整個實驗過程中，采用軟件加固技術(shù)后的DSP

控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，無論是控制器或通信系統(tǒng)均無受到較大干擾，重頻EMP輸出穩(wěn)定可靠。

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