总线电磁脉冲同步注入系统及试验

陈晓微，王添文，薛 峰，赵少琼，赵炜铭

(中国兵器工业新技术推广研究所，北京 100089)

随着1962年，美国太平洋约翰斯顿岛上空40 km处进行一次威力为140万顿TNT当量、代号为“海盘车”的高空核试验的进行，使1 280 km之外的夏威夷瓦胡岛上大面积停电，电话中断、收音机不响、各种电子仪器故障，后经专家研究才发现罪魁祸首是核电磁脉冲。自此之后，越来越多的学者开始研究电磁脉冲模拟器，开展电磁脉冲环境条件下电子设备的敏感及损伤效应研究。2014年周开明等分析了实验室瞬态X射线产生的系统电磁脉冲(SGEMP)效应测试所面临的技术问题，提出了实验室模拟瞬态X射线的SGEMP模拟试验方法[1]。马继峰结合CST软件特点开展了控制系统电磁脉冲辐射环境分析方案设计，并选取设计方案中的典型部分开展了电磁脉冲辐射环境分析试验，得到了分析结论[2]。周启明从响应的角度论述了强脉冲X射线装置和各种电激励技术模拟实验装置，两类系统的电磁脉冲(SGEMP)模拟信号源[3]。中物院电子学研究所在HPM研究上，利用感应直线加速器产生的3.3 MV、1.5 KA、90 ns电子束，获得了34.5 GHz、140 MW的峰值功率。另外还有相关研究所正进行电磁轨道炮的研究[4]。国内对电磁脉冲耦合机理的研究，大多集中在单线传输线和天线，对涉及数据总线的传输线屏蔽双绞线以及同轴线的前门耦合以及后门耦合研究较少，缺乏系统性。在电磁脉冲损伤，基本停留在器件阈值的仿真上[5]，研究目标和人员比较分散，整体水平与发达国家存在很大的差距，尤其是缺乏对电子设备在强电磁脉冲环境下的敏感及损伤情况的研究。在电磁脉冲试验方面，强电磁脉冲场模拟手段不够完善，虽然建立了一些电磁脉冲模拟设备，但技术相对落后，试验配套设施不够健全，目前解放军理工大学在线缆的电磁脉冲注入系统方面开展了研究[6]，但其注入系统只能随机注入，不能对总线电平信号进行同步注入。在电磁脉冲防护方面，目前集中在理论研究，缺少具体的防护特性测量以及防护数据，如防护元器件的防护特性、屏蔽电缆的防护特性、防护装置的防护特性，缺少建立电磁脉冲损伤评估系统来评估对数据总线的敏感特性研究。

本文介绍了一种总线模拟电磁脉冲同步注入系统，用于开展数据总线的电磁脉冲试验。数据总线广泛应用于武器系统，用于控制以及联络武器系统各部件，在某种程度上总线是武器系统的控制中枢，其在电磁脉冲条件下的响应特性将影响武器系统的工作特性。

1 电磁脉冲试验评估系统

现有的电磁脉冲试验评估系统一般有2种：一种是电磁脉冲辐照系统，电磁脉冲波形发生器产生电磁脉冲波形，通过天线发射，对电子产品进行整体辐照，观察产品的响应特性；另一种是电磁脉冲注入系统，电磁脉冲通过注入卡钳将电磁脉冲注入到线缆上，美军标MIL-STD-188-125-2采用注入的方法来评估防护模块的防护效果[7]。现有的电磁脉冲波形发生器一般都是通过升压模块升压，产生连续可调直流高压电源对储能电容充电，电容充满电后通过开关对负载(如有界波电磁脉冲模拟器、GTEM室等)放电形成所需脉冲[8]。这种电磁脉冲波形发生器只能间隔式产生单个的电磁脉冲，该波形产生的方式是随机的，在进行总线线缆电磁脉冲注入试验时，很难控制将电磁脉冲信号注入到所指定的信号电平位置上。

电磁脉冲发生器产生的是瞬态的电磁脉冲，干扰信号脉宽为ns级，如GJB 151B规定的电磁脉冲波形，其脉冲宽度为23 ns，峰值场强为50 kV/m[9]，而总线信号是个周期信号，总线传输速率从几十K到几十M。以CAN总线为例，最高传输速率为1 M，每位的位宽为1 μs级，根据CAN扩展数据帧如图1所示[10]，其最长时间为150位×1 μs=150 μs。只有当瞬态干扰叠加到数据电平信号时，才能使总线信号产生翻转或者信号干扰。电磁脉冲波形发生器每次的触发间隔时间最小是2～3 s，而这种触发相对信号电平来说是随机的，因此很难让电磁脉冲干扰信号叠加到总线电平，更不用说叠加到具体的总线电平码位上，如仲裁段、控制端、数据段和CRC。

图1 CAN总线扩展数据帧

要使总线产生通信误码，必须将干扰叠加到总线电平信号上，电磁脉冲为ns级的干扰信号，而CAN总线发送信号的周期为ms级，在1个周期内总线电平信号只有几十μs到上百μs，如果通过随机的方式将干扰信号施加到总线电平上，很难出现误码现象，只能出现复位或死机的现象。

2 模拟电磁脉冲同步注入系统

为了使每次产生的干扰信号都能叠加到总线信号上，设计了一种总线模拟电磁脉冲同步注入系统。该系统组成如图2所示，产生的电磁脉冲模型波形如图3所示，其工作原理是：任意波形发生器产生的电磁脉冲波形，经过宽频功率放大器放大后，通过注入卡钳注入到总线信号上。另外通过示波器监测总线信号，如总线工作时，产生TTL电平触发任意波形发生器，调节任意波形发生器触发延时，使得干扰信号叠加到总线电平上及所需要观察的码位上。另外使用电流探头监测注入电流大小，总线解码示波器解码总线波形数据。该系统既可以同步注入也可以随机注入，还可以调节注入的间隔。

图2 总线电磁脉冲同步注入系统

图3 电磁脉冲模拟波形

模拟电磁脉冲同步注入系统与电磁脉冲注入系统相比，优缺点见表1。模拟电磁脉冲同步注入系统的主要优点是可以与示波器触发配合，将干扰波形注入到所规定的总线信号的任意位置，可以产生多种干扰波形，可以观察总线码型发生变化，其最大的缺点是能量小，波形受限于任意波形发生器的精度和功放宽频放大系数；而传统的电磁脉冲注入系统优点是高压，大电流，但无法指定位置注入，只能随机注入。

表1 2种注入系统的优缺点比较

3 CAN总线电磁脉冲模拟注入试验

按照图2所示进行总线电磁脉冲模拟注入试验，观察电磁脉冲不同位置注入、不同触发类型、不同传输速率时CAN总线的敏感特性。表2为电磁脉冲从空闲位同步注入，触发间隔20 ms，总线主机发送1 000次数据时，总线终端接收次数的数据。从表2中可以看出，该条件下，其敏感电流约为1.2 A。

表2 EMP空闲位同步注入(同步触发，触发间隔为20 ms)

表3为电磁脉冲在随机触发条件下，当触发间隔为1 s时，很难引起总线传输敏感，在传输速率一致的条件下，随着触发间隔逐渐变小，其开始容易敏感。当传输速率为1 M时，比较敏感。这表明传输速率越快，单位时间出现的总线电平越多，干扰越有机会叠加到总线电平上。

表3 EMP随机触发

表4为电磁脉冲在同步触发条件下，触发间隔为20 ms。从表4可以看出，在不同位置注入时，其敏感情况有差别，在CRC位、EFF位注入较敏感，数字位注入较不敏感。同步触发时，随着传输速率的提高，敏感程度更明显。正常的CAN总线电平如图4所示，在数字位置(66)注入干扰如图5所示，在数字位置(22)注入干扰如图6所示。

表4 EMP同步触发(位置可调)

图4 正常的CAN总线电平

图5 在数字位置(66)注入干扰

图6 在数字位置(22)注入干扰

4 结语

通过试验可以看出，该总线电磁脉冲模拟注入系统可以实现低电平的电磁脉冲模拟注入，可以随机注入，也可以指定位置同步注入，另外可以设置注入间隔。从CAN总线电磁脉冲模拟注入试验可以看出：1)随着触发间隔变小，电磁脉冲注入的次数变多，其更容易敏感；2)随着传输速率变快，同步注入时，CRC位置、EFF位置比数字位敏感；3)随着传输速率的提高，也容易敏感。