CN112416667A - 基于预载程序动态信号检验的stm32总剂量效应测试方法 - Google Patents

基于预载程序动态信号检验的stm32总剂量效应测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于预载程序动态信号检验的STM32总剂量效应测试方法，所述测试方法基于测试系统进行，所述测试系统包括载有STM32芯片的最小电路，用于信号传输的通讯模块和用于接收信号的上位机；预载程序包含信号处理校验、存储校验和通信校验功能；测试方法包括如下步骤：布置测试系统、辐照前参数校验、辐照及在线功能监测、辐照结束、辐照后参数校验、损伤分析。本发明提供的测试方法一方面通过构建最小系统得出芯片在实际运行工况下的辐照损伤剂量，另一方面通过预载程序的多种动态信号检验功能对芯片内部各个器件的工作状态进行监控，得出STM32芯片具体的辐照失效模式和内部各器件的耐辐照能力高低。

Description

基于预载程序动态信号检验的STM32总剂量效应测试方法
技术领域
本发明属于于核工程技术和辐射防护技术领域，具体涉及一种基于预载程序动态信号检验的STM32总剂量效应测试方法。
背景技术
为了保证工作人员的安全、提高工作效率，机器人在核电站中正在得到越来越广泛的应用。由于电离辐射的存在，配置于辐射场所中的机器人必须考虑其耐辐照性能的高低，因金属和有机材料自身的耐辐照性能很好，故机器人整体的耐辐照性能由其内部的电子学器件决定。电子器件的辐照损伤主要有三种效应：总剂量效应、单粒子翻转和位移损伤，对核电站环境而言，总剂量效应是机器人的主要失效方式。
STM32是自动控制领域广泛使用的一种微处理芯片，其内部集成有32位Cortex-M3处理器内核、12位模拟数字转换器(ADC)、直接内存访问控制器(DMA)、片内闪存(FLASH)、通用非同步收发传输器(UART)等元器件。该芯片正常工作还需要额外的低压差稳压器(LDO)、无源晶振和一些分立电容电阻。
目前针对STM32芯片的耐辐照性能测试分两种。第一种方法只对STM32芯片单独进行辐照测试，辐照期间芯片加载正偏置但并不运行任何预载程序，得出芯片的辐照损伤剂量。第二种方法将STM32加装于测试电路板中，在芯片运行预载程序的状态下进行辐照实验，得出芯片的损伤剂量。
上述两种方法尚不够完善。方法一虽然给器件加载了正偏置，但由于芯片未运行任何程序，其内部电参数和实际工况有所区别。由于同一器件在不同电参数下的辐照效应有所不同，故独立辐照实验得到的损伤剂量不能准确反映实际STM32在实际应用中的失效状态。而方法二虽然得到了实际工况下的损伤剂量，但没有关注芯片内部器件的失效模式，无法判断STM32内置诸多器件各自的耐辐照能力的高低，不能对后续的芯片抗辐射设计提供数据支撑。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种STM32微控制器总剂量效应测试方法，以得到被测芯片在实际工况下由总剂量效应引起的辐照损伤剂量，测得的损伤剂量更贴近实际失效模式、更准确，并测出芯片内各元件中的辐照最敏感部分。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于预载程序动态信号检验的STM32微控制器总剂量效应测试方法，所述测试方法基于测试系统进行，所述测试系统包括载有STM32芯片的最小电路，用于信号传输的通讯模块和用于接收信号的上位机；预载程序包含信号处理校验、存储校验和通信校验功能；
所述最小电路包括一块STM32芯片、一个低压差线性稳压器、一个外部无源晶振、一个Mini USB接口；
所述STM32微控制器总剂量效应测试方法包括如下步骤：
步骤1)，布置测试系统：被测STM32最小电路样品与通讯模块之间的TTL有线通信通过30cm通信线缆实现，通讯模块与上位机之间的RS485有线通信通过双绞屏蔽通讯线缆实现；利用临时屏蔽装置对通讯模块进行屏蔽防护；利用双绞屏蔽电源线连接通讯模块和直流稳压电源，对被测样品供电；
步骤2)，辐照前参数校验：对被测最小电路样品进行信号处理校验、存储校验和通信校验，确保三项校验结果正常；并对被测样品的对地阻抗、低压差线性稳压器输出电压和功耗电流进行测量；
步骤4)，辐照结束：对于破坏性实验，信号处理校验和存储校验的校验信号全部中断后，结束辐照，停止样品供电；对于非破坏性实验，达到实验中规定的被测样品受照剂量后，结束辐照，停止样品供电。
步骤5)，辐照后参数校验：被测样品重新通电工作；对被测最小电路样品进行通信校验，确保通信校验正常；对被测样品的对地阻抗、低压差线性稳压器输出电压和功耗电流进行测量。
步骤6)，损伤分析：若辐照期间，三项功能校验信号均保持正常，则被测样品未出现辐照损伤，其总剂量错误剂量DError和总剂量失效剂量DFail均大于本次测试的吸收剂量D(Si)；若辐照期间被测样品的信号处理校验或存储校验出现错误，则样品的总剂量错误剂量DError等于首个错误出现时的吸收剂量D(Si)；若辐照期间，被测样品信号处理校验或存储校验出现信号中断，则样品的总剂量失效剂量DFail等于校验信号中断首次出现时的吸收剂量D(Si)。
进一步地，所述通讯模块由两部分组成，第一部分为基于MAX485的硬件自动流向控制的TTL与RS485互转模块；第二部分为基于CH340芯片的485转USB模块。
进一步地，所述最小电路包括一块STM32F103C8T6芯片、一个3.3V低压差线性稳压器AMS1117-3.3V、一个外部无源晶振和一个Mini USB接口组成。
进一步地，所述上位机由面向对象的语言Delphi编写，并以模块化设计为原则，以按钮方式选择不同功能，其主要功能有：参数配置、数据读取、绘制曲线、文件存盘。
进一步地，所述预载程序中信号处理校验的实现方法如下：使用一节5号干电池当做信号源，首先采集该电池的电压作为模拟信号，再利用ADC和DMA将模拟信号转换为数字信号，之后该数字信号经由运算处理器重新拟合为电压值，将拟合后的电压值和辐照前测得的电池电压进行对比，若数值吻合，则电路中ADC、DMA和运算处理器的功能正常，若数值偏差较大，则上述器件已经受损。
进一步地，所述预载程序中存储校验的实现方法如下：辐照期间，每隔3分钟对片内FLASH的特定可编辑区域按顺序进行擦除-写入-读取操作，写入内容为一串随着操作循环次数增长而增长的数据；存储校验信息将和信号处理校验中的电压信号一同传给上位机；实验前对辐照期间片内FLASH的擦写次数进行计算，以确保总擦写次数显著低于芯片额定的10000次擦写上限。
进一步地，所述预载程序中存储校验检查的可编辑区域占整个片内FLASH的4.7％。
进一步地，所述预载程序中通信校验的实现方法如下：由最小系统发出的所有信号均会经由UART串口编帧后发送给上位机，在每一帧数据帧的最后插入一个校验值，该校验值是由预先设计的算法通过对帧头、帧尾、帧计数和帧内容的综合计算得出一个唯一的校验值，任何在通讯中出现的干扰都会影响最终的计算结果，进而可通过通信校验对通讯模块的运行状态进行监控。
本发明的有益效果是：
1.本发明的测试方法可得出被测芯片在实际工况下由总剂量效应引起的辐照损伤剂量，测得的损伤剂量更贴近实际失效模式、更准确。
2.本发明的测试方法可得出被测芯片的总剂量效应失效模式，可测出芯片内各元件中的辐照最敏感部分。
3.本发明的测试方法可用于相关行业的STM32耐辐照性能测试中，可以为STM32芯片的抗辐照加固设计和其在放射性场所中的应用提供指导。
附图说明
图1是本发明提供的总剂量辐射损伤测试系统的布置示意图；
图2是本发明提供的测试系统预载程序运行流程图。
图中：1-辐照实验室屏蔽墙体；2-放射源；3-被测样品最小电路；4-通讯模块；5-临时屏蔽结构；6-直流稳压电源；7-上位机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
本发明提供了一种基于预载程序动态信号检验的STM32微控制器总剂量效应测试方法，测试方法基于测试系统进行，如图1所示，测试系统分为三部分：载有STM32芯片的最小电路3，用于信号传输的通讯模块4和用于接收信号的上位机7(电脑)；载有STM32芯片的最小电路3外一定距离处设有放射源2，利用双绞屏蔽电源线连接通讯模块和直流稳压电源6，对被测的最小电路供电。利用铅砖等临时屏蔽装置5对通讯模块放进行屏蔽防护；整个测试系统外部设有辐照实验室屏蔽墙体1。
最小电路由一块STM32F103C8T6芯片、一个3.3V低压差线性稳压器AMS1117-3.3V、一个外部无源晶振、一个Mini USB接口组成。
通讯模块由两部分组成，第一部分为基于MAX485的硬件自动流向控制的TTL与RS485互转模块；第二部分为基于CH340芯片的485转USB模块。前者将电路板TTL信号转化为可长距离传输的485信号。后者将485信号转化为PC端可以硬件匹配的USB信号。
上位机由面向对象的语言Delphi编写，并以模块化设计为原则，以按钮方式选择不同功能。其主要功能有：参数配置、数据读取、绘制曲线、文件存盘等功能。上位机与下位机连接的情况下，可以对下位机数据进行实时显示和存储，也可以在数据存储完毕后进行绘图。还可以将各路数据根据需要导出为JPG或TXT格式的文件，便于用户利用第三方软件进行数据分析。
为了定位STM32芯片中因辐照失效的具体元器件，本测试方法中设计了包含三种实时校验方法的预载程序来监控不同器件在辐照下的运行状态，进而对失效器件进行定位，得出STM32芯片的总剂量效应失效模式。这三种校验方法为：信号处理校验、存储校验和通信校验。预载程序运行流程如图2所示。
信号处理校验的实现方法如下：使用一节5号干电池作为信号源，首先采集该电池的电压作为模拟信号，再利用ADC和DMA将模拟信号转换为数字信号。之后该数字信号经由运算处理器重新拟合为电压值，将拟合后的电压值和辐照前测得的电池电压进行对比，若数值吻合，则电路中ADC、DMA和运算处理器的功能正常，若数值偏差较大，则上述器件已经受损。
存储校验的实现方法如下：辐照期间，每隔3分钟对片内FLASH的特定可编辑区域按顺序进行擦除-写入-读取操作，写入内容为一串随着操作循环次数增长而增长的数据。存储校验信息将和信号处理校验中的电压信号一同传给上位机。实验前对辐照期间片内FLASH的擦写次数进行计算，以确保总擦写次数显著低于芯片额定的10000次擦写上限。该校验检查的可编辑区域占整个片内FLASH的4.7％。
通信校验的实现方法如下：由最小系统发出的所有信号均会经由UART串口编帧后发送给上位机，在每一帧数据帧的最后插入一个校验值。该校验值由预先设计的算法通过对帧头、帧尾、帧计数和帧内容的综合计算得出一个唯一的校验值，任何在通讯中出现的干扰都会影响最终的计算结果，进而可通过通信校验对通讯模块的运行状态进行监控。
STM32微控制器总剂量效应测试方法的步骤如下：
1.布置测试系统：被测STM32最小电路样品与通讯模块之间的TTL有线通信通过30cm通信线缆实现，通讯模块与上位机之间的RS485有线通信通过双绞屏蔽通讯线缆实现，利用双绞屏蔽电源线连接通讯模块和直流稳压电源，对被测样品供电。利用铅砖等临时屏蔽装置对通讯模块放进行屏蔽防护，确保通讯模块的受照剂量比被测最小电路样品低1～2个量级。
2.辐照前参数校验：对被测最小电路样品进行信号处理校验、存储校验和通信校验，确保三项校验结果正常；并对被测样品的对地阻抗、低压差线性稳压器输出电压和功耗电流进行测量；
3.辐照及在线功能监测：对被测最小电路样品进行辐照，同时运行预载程序，进行信号处理校验、存储校验和通信校验，校验结果通过上位机实时监控；
4.辐照结束：对于破坏性实验，信号处理校验和存储校验的校验信号全部中断后，结束辐照，停止样品供电；对于非破坏性实验，达到实验中规定的被测样品受照剂量后，结束辐照，停止样品供电。
5.辐照后参数校验：被测样品重新通电工作；对被测最小电路样品进行通信校验，确保通信校验正常；对被测样品的对地阻抗、低压差线性稳压器输出电压和功耗电流进行测量。
6.损伤分析：若辐照期间，三项功能校验信号均保持正常，则被测样品未出现辐照损伤，其总剂量错误剂量DError和总剂量失效剂量DFail均大于本次测试的吸收剂量D(Si)；若辐照期间被测样品的信号处理校验或存储校验出现错误，则样品的总剂量错误剂量DError等于首个错误出现时的吸收剂量D(Si)；若辐照期间，被测样品信号处理校验或存储校验出现信号中断，则样品的总剂量失效剂量DFail等于校验信号中断首次出现时的吸收剂量D(Si)。
上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种基于预载程序动态信号检验的STM32总剂量效应测试方法，其特征在于，所述测试方法基于测试系统进行，所述测试系统包括载有STM32芯片的最小电路，用于信号传输的通讯模块和用于接收信号的上位机；预载程序包含信号处理校验、存储校验和通信校验功能；
所述最小电路包括一块STM32芯片、一个低压差线性稳压器、一个外部无源晶振、一个Mini USB接口；
所述STM32微控制器总剂量效应测试方法包括如下步骤：
步骤1)，布置测试系统：被测STM32最小电路样品与通讯模块之间的TTL有线通信通过30cm通信线缆实现，通讯模块与上位机之间的RS485有线通信通过双绞屏蔽通讯线缆实现；利用临时屏蔽装置对通讯模块进行屏蔽防护；利用双绞屏蔽电源线连接通讯模块和直流稳压电源，对被测样品供电；
步骤2)，辐照前参数校验：对被测最小电路样品进行信号处理校验、存储校验和通信校验，确保三项校验结果正常；并对被测样品的对地阻抗、低压差线性稳压器输出电压和功耗电流进行测量；
步骤3)，辐照及在线功能监测：对被测最小电路样品进行辐照，同时运行预载程序，进行信号处理校验、存储校验和通信校验，校验结果通过上位机实时监控；
步骤4)，辐照结束：对于破坏性实验，信号处理校验和存储校验的校验信号全部中断后，结束辐照，停止样品供电；对于非破坏性实验，达到实验中规定的被测样品受照剂量后，结束辐照，停止样品供电。
步骤5)，辐照后参数校验：被测样品重新通电工作；对被测最小电路样品进行通信校验，确保通信校验正常；对被测样品的对地阻抗、低压差线性稳压器输出电压和功耗电流进行测量。
步骤6)，损伤分析：若辐照期间，三项功能校验信号均保持正常，则被测样品未出现辐照损伤，其总剂量错误剂量DError和总剂量失效剂量DFail均大于本次测试的吸收剂量D(Si)；若辐照期间被测样品的信号处理校验或存储校验出现错误，则样品的总剂量错误剂量DError等于首个错误出现时的吸收剂量D(Si)；若辐照期间，被测样品信号处理校验或存储校验出现信号中断，则样品的总剂量失效剂量DFail等于校验信号中断首次出现时的吸收剂量D(Si)。
2.一种如权利要求1所述的基于预载程序动态信号检验的STM32总剂量效应测试方法，其特征在于：所述通讯模块由两部分组成，第一部分为基于MAX485的硬件自动流向控制的TTL与RS485互转模块；第二部分为基于CH340芯片的485转USB模块。
3.一种如权利要求1所述的基于预载程序动态信号检验的STM32总剂量效应测试方法，其特征在于：所述最小电路包括一块STM32F103C8T6芯片、一个3.3V低压差线性稳压器AMS1117-3.3V、一个外部无源晶振、一个Mini USB接口组成。
4.一种如权利要求1所述的基于预载程序动态信号检验的STM32总剂量效应测试方法，其特征在于：所述上位机由面向对象的语言Delphi编写，并以模块化设计为原则，以按钮方式选择不同功能，其主要功能有：参数配置、数据读取、绘制曲线、文件存盘。
5.一种如权利要求1所述的基于预载程序动态信号检验的STM32总剂量效应测试方法，其特征在于：所述预载程序中信号处理校验的实现方法如下：使用一节5号干电池作为信号源，首先采集该电池的电压作为模拟信号，再利用ADC和DMA将模拟信号转换为数字信号，之后该数字信号经由运算处理器重新拟合为电压值，将拟合后的电压值和辐照前测得的电池电压进行对比，若数值吻合，则电路中ADC、DMA和运算处理器的功能正常，若数值偏差较大，则上述器件已经受损。
6.一种如权利要求1所述的基于预载程序动态信号检验的STM32总剂量效应测试方法，其特征在于：所述预载程序中存储校验的实现方法如下：辐照期间，每隔3分钟对片内FLASH的特定可编辑区域按顺序进行擦除-写入-读取操作，写入内容为一串随着操作循环次数增长而增长的数据；存储校验信息将和信号处理校验中的电压信号一同传给上位机；实验前对辐照期间片内FLASH的擦写次数进行计算，以确保总擦写次数显著低于芯片额定的10000次擦写上限。
7.一种如权利要求6所述的基于预载程序动态信号检验的STM32总剂量效应测试方法，其特征在于：所述预载程序中存储校验检查的可编辑区域占整个片内FLASH的4.7％。
8.一种如权利要求1所述的基于预载程序动态信号检验的STM32总剂量效应测试方法，其特征在于：所述预载程序中通信校验的实现方法如下：由最小系统发出的所有信号均会经由UART串口编帧后发送给上位机，在每一帧数据帧的最后插入一个校验值，该校验值是由预先设计的算法通过对帧头、帧尾、帧计数和帧内容的综合计算得出一个唯一的校验值，任何在通讯中出现的干扰都会影响最终的计算结果，进而可通过通信校验对通讯模块的运行状态进行监控。
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