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Volume 2021, Article ID 6836158, 10 pages https://doi.org/10.1155/2021/6836158

Research Article

Research on Analysis and Classification of Vulnerability of Electromagnetic Pulse with a STM32 Single-Chip Microcomputer

Liu Keshun, Zhang Xijun, and Zhou Xing

Army Engineering University, Shijiazhuang Campus, National Key Laboratory on Electromagnetic Environment Effects, Shijiazhuang, Hebei 050003, China

Correspondence should be addressed to Zhou Xing; 720414@hebtu.edu.cn

Received 23 June 2021; Revised 27 July 2021; Accepted 2 August 2021; Published 9 August 2021

Academic Editor: Muhammad Usman

Copyright copy; 2021 Liu Keshun et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

With the continuous development of information technology, the performance of the entire traditional electrical system is gradually optimized. Nowadays, the single-chip technology is an important part of the traditional electrical system because it determines the operating quality of the entire traditional system. However, due to the electromagnetic pulse, the single-chip microcomputer system may be interfered with malfunction or damage, which seriously affects its performance. Therefore, to investigate the impact of an electromagnetic pulse on a single-chip microcomputer system, in this research work, we have used a STM32 single-chip microcomputer as the research object by setting up multiple sets of STM32 single-chip microcomputer serial communication systems. Besides, we have conducted an electromagnetic pulse vulnerability experiment using the inductive coupling inject method which has improved the antielectromagnetic pulse capacity of the STM32 single-chip serial commu- nication system. The experimental results show that the damage threshold of the single-chip microcomputer with positive pulse injection is greater than the negative pulse injection, which indicates that the serial communication system of the STM32 single- chip microcomputer is more sensitive to the negative pulse injection. Moreover, this research work is of great significance to evaluate more accurately the viability and anti-interference capability of a single-chip microcomputer system under the action of electromagnetic pulse.

Introduction

Modern electronic systems must be highly resistant to a variety of electromagnetic interruptions to avoid faults that could have unintended repercussions if the systemrsquo;s func- tionality is important to security [1]. As a result, under- standing the systemrsquo;s immunity is crucial. An electromagnetic pulse (EMP) is a high-frequency transient burst of electromagnetic energy that generates a significant electric field due to the rapid acceleration of energetic particles, either naturally or artificially produced. Lightning is a natural form of EMP that occurs when the atmosphere is filled with excessively charged particles, whereas an EMP generator is used to produce a constructed or intentional electromagnetic pulse. Electromagnetic pulse energy fre- quencies range from zero hertz to gigahertz (GHz) [2] and can be communicated by a magnetic field, electrical field,

electrical conduction, and electromagnetic conduction, based on the variety of the pulse. On the other hand, STM32 single-chip microcomputer refers to the 32 bit microcom- puter developed by STMicroelectronics in recent years. It has been widely used in automatic navigation system, in- telligent communication equipment, and other fields by its diversified functional structure, high-cost performance, and easy-to-use operation mode. Electromagnetic pulse is ev- erywhere, with the high integration of single-chip micro- computer systems; electromagnetic pulse has posed a dangerous threat to single-chip microcomputer systems. On the one hand, an electromagnetic pulse can make the chip of a single-chip microcomputer system produce logical chaos, leading to the system abnormal or failure, causing soft damage. On the other hand, an electromagnetic pulse can cause logical chaos in the chip of a single-chip microcom- puter system by causing soft damage, while, on the contrary,

an electromagnetic pulse can damage or burn the compo- nents and microelectronic circuits of a single-chip mi- crocomputer system, causing hardware damage, so it is important to study the subject. Since the beginning of this century, domestic researchers have carried out a lot of work [3–5] on the effect and vulnerability of electro- magnetic pulse to single-chip microcomputer systems and analyzed the reasons of various effect phenomena to some extent. However, the existing research is mainly to classify single-chip microcomputer systems whether there is damage or not and does not classify the vulnerability levels for various effect phenomena. Moreover, due to high test costs and limited data, it is impossible to de- termine the statistical law of vulnerability for various effect phenomena.

Inspired from the work of the above, this paper used the

same batch of STM32 single-chip microcomputers with the following contributions:

• 1. To conduct an electromagnetic pulse vulnerability experiment by inductive coupling injection.
  2. To investigate/analyze the level of electromagnetic pulse vulnerability.
  3. To carry out the electromagnetic pulse vulnerability experiment of STM32 single-chip microcomputer under the condition of pulse current inductive coupling injection.
  4. To explore the influence

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     STM32单片机电磁脉冲脆弱性分析与分类研究

     随着信息技术的不断发展，整个传统电气系统的性能逐渐得到了优化。如今，单片机技术是传统电气系统的重要组成部分，因为它决定了整个传统电气系统的运行质量。但由于电磁脉冲，单片机系统可能会受到干扰、故障或损坏，严重影响其性能。因此，为了研究电磁脉冲对单片机系统的影响，在本研究工作中，我们以STM32单片机为研究对象，建立了多台STM32单片机串行通信系统。此外，我们还采用电感耦合注入的方法进行了电磁脉冲脆弱性实验，提高了STM32单片机串行通信系统的抗电磁脉冲容量。实验结果表明，采用正脉冲注入的单片机的损伤阈值大于负脉冲注入，说明STM32单片机的串行通信系统对负脉冲注入更为敏感。此外，本研究工作对更准确地评价单片机系统在电磁脉冲作用下的可行性和抗干扰能力具有重要意义。

     1. 介绍

     现代电子系统必须高度抵抗各种电磁中断，以避免故障，如果系统的功能对安全[1]很重要，可能会产生意想不到的影响。因此，了解该系统的免疫力是至关重要的。电磁脉冲(EMP)是一种电磁能量的高频瞬态爆发，由于自然或人工产生的高能粒子的快速加速，它会产生显著的电场。闪电是EMP的一种自然形式，在大气中充满过度带电的粒子时发生，而EMP发生器被用来产生一个构造的或有意的电磁脉冲。基于脉冲的变化，电磁脉冲的能量频率范围从0赫兹到千兆赫兹(GHz)[2]，可以通过磁场、电场，电传导，和电磁传导。另一方面，STM32单片机是指近年来开发的32位微机意法半导体。因其多样的功能结构、高性价比、易于使用的操作方式，已广泛应用于自动导航系统、智能通信设备等领域。因为电磁脉冲无处不在，单片机系统的高度集成，对单片机系统构成了威胁。一方面，电磁脉冲可以使单片机系统的芯片产生逻辑混沌，导致系统异常或故障，造成软损伤。另一方面，电磁脉冲会造成软损伤，从而在单片机系统的芯片中造成逻辑混乱，而相反，电磁脉冲会损坏或燃烧单片机系统的元件和微电子电路，造成硬件损坏，因此研究该课题具有重要意义。自本世纪初以来，国内研究人员对电磁脉冲对单片机系统的影响和脆弱性进行了大量的研究，并在一定程度上进行了各种效应现象的原因分析。然而，现有的研究主要是为了对单片机系统是否存在损伤进行分类，而没有对各种效应现象的脆弱性级别进行分类。此外，由于测试成本高，数据有限，无法确定各种效应现象的脆弱性统计规律。受上述工作的启发，本文使用了同一批STM32单片机，其贡献如下：

     (i)采用感应耦合注入法进行电磁脉冲易损性实验。

     (ii)调查/分析电磁脉冲脆弱性的程度。

     (iii)在脉冲电流感应耦合注入条件下，进行STM32单片机的电磁脉冲脆弱性实验。

     (iv)为了探讨不同因素对脆弱性实验的影响，我们建立了多种对照组。

     (v)为了提高STM32单片机串行通信系统的抗电磁脉冲容量，我们采用了一条屏蔽线作为串行通信线。

     (vi)研究STM32单片机串行通信系统的灵敏度是否对负脉冲注入更敏感。

     本文的其余部分组织如下。第2节是我们在工作中所采用的材料和方法，第3节是实验工作，第4节是模拟结果和实验分析。我们在第5节中总结了我们的论文。

     1. 材料和方法

     在本节中，我们将讨论在我们建议的使用STM32单片机微控制器来分析和分类电磁脉冲脆弱性的策略中所使用的材料和方法。

     2.1材料

     2.1.1.电磁脉冲(EMP)。由带电粒子的快速速度产生的高浓度的电磁能量爆炸被称为电磁脉冲(EMP)。由于这种巨大的电磁能量，我们的电子网络、通信网络和计算机系统可能会被摧毁。以纳秒为单位测量的脉冲宽度的短而高强度的脉冲被称为瞬态电磁能。这种脉冲可以作为自然或人为引起的[6]引起的电场或磁场发射出来。

     2.1.2.电磁脉冲的类型。电磁脉冲是一种短时间的能量脉冲，它可以由各种来源产生，包括自然武器、人造和军事武器。所有这些源都会产生反复出现的和有规律的脉冲序列。电磁脉冲的类型如图1所示。

     图1：电磁脉冲的类型。

     （1）自然电磁脉冲。LEMP（闪电电磁脉冲）是最常见的自然电磁辐射源。LEMP可以产生几兆安培的巨大电流，从而对人造电子电路和电子系统[5]造成伤害。ESD是另一种天然的电磁辐射来源。2个带电物体的相互作用和分离会引起静电放电(ESD)。通过向电路发送高压脉冲，ESD会造成损坏[7,8]。

     （2）人造EM脉冲。人造的电磁辐射比自然的电磁辐射对我们的健康要有害得多。厨具、电视、收音机、手机和电源连接都是人造电磁辐射的来源。通过数字电子电路的开关作用以及电机[9]的内部电接触旋转，可以产生一个脉冲序列。电力线路携带许多千伏的电力，足以杀死没有得到充分保护的电子设备和电路。

     （3）军事电磁脉冲。大气中的核爆炸从核反应中释放出伽马射线，其时间上升到纳秒，从而产生核电磁脉冲(NEMP)[10–12]。这些伽马射线引起康普顿散射通量，返回大气中的电子，导致电流浓度。脉冲或电磁辐射会对我们的电力系统，以及海洋和空气产生影响。核emp可分为E1、E2和E3三部分。E1是所有电磁元素中最快的，时间持续时间从微秒到纳秒不等。E1是一种强大的电场，能够在电气导体中快速产生异常高的电压，破坏我们的电气系统、计算机和通信设备。一个电磁脉冲的E2分量比E1部分要慢。E2元素具有与闪电电磁脉冲相同的特性，使它们最容易防御。在所有的电磁元件中，E3元件是最慢的[13–16]。太阳会产生这种脉冲。

     2.1.3.EMP对电子电路的影响。电磁脉冲（电磁脉冲）是一种破坏电子电路的能量爆发。电磁武器可以产生能量脉冲，从而摧毁电子系统。有两种耦合模式：

     (i)前门耦合：EMP与前端数字设备如天线进行这种耦合，并破坏传输线中的半导体器件，如接收器和发射器[17]。

     (ii)后门耦合：当EMP通过数据、电线和电源连接与后端电子设备相互作用时，对电源、数据发射器和接收器等传输设备造成损坏。

     任何电磁脉冲的主要目标都是半导体设备。击穿发生在BJT器件时，结是反向偏置作为EM脉冲的结果。对PN结的热损伤是电磁脉冲的另一个影响。在场效应晶体管器件如MOSFET中，电磁脉冲引起非常强的电场通过栅电介质。混合脉冲的波形描述了电磁场的强度或电流如何随时间变化。脉冲有一个强大的前沿和迅速达到他们的最大水平[18]。EMP能量通过电子设备的电缆和电路。在有更多线路的复杂系统中，能量的收集效率更高。在几纳秒的时间内，电磁脉冲将高达5万伏特的能量注入电路[19]中。这个脉冲完全融化了现代计算机的cpu。

     2.1.4。STM32单片机。STM32是意法半导体的一款32位系列微控制器集成电路。每个微控制器在[20]内部都有一个处理核心、静态RAM、闪存、调试连接和不同的外设。STM32微处理器组包括14个系列，每个系列都基于ARM Cortex- m7f、Cortex- m4f、Cortex- M33、Cortex- m3、Cortex- m0 或Cortex- m0处理核心。理论上，Cortex-M4F是一种Cortex-M3，具有DSP和单精度浮点指令[21,22]。

     2.2方法

     2.2.1硬件电路。控制系统硬件电路[18]的三个主要问题是电源部分、主控部分和通信部分。通过USB充电器，将主电源组件(220v)连接到USB端口。该系统的主要控制元件负责微机的控制信号。STM32F103RCT6芯片与STM32F103RCT6芯片通过USB接口连接。通讯组件采用串口通讯，将USART串口连接到RS232。

     为了进行电磁脉冲漏洞实验，我们选择了同一批次的两台STM32微机搭建了一套串行通信系统。发送端采用无液晶显示器(LCD)的微机，其TX引脚将8位二进制数据00000000循环发送至11111111。带有LCD的微型计算机作为接收端，数据由其RX引脚接收。该数据将以0到255位十进制数据为周期显示在2.8英寸LCD上。该系统主要由STM32-F103MINI微型计算机、STM32F103RCT6芯片、2.8英寸液晶显示器、USB充电器、数据线(串口通信线和接地电极)组成，如图2所示。

     图2:串口通信系统的组成。

     2.2.2脆弱性。漏洞是攻击者(如黑客)使用的计算设备上的一个缺陷，用来打破特权边界。攻击者必须拥有至少一种工具或技术，可以连接到系统漏洞来利用该漏洞。在此上下文中，漏洞有时被称为安全漏洞。电脑保安漏洞大致可分为以下4类[23]:

     (i)网络漏洞。这些是网络软件或硬件上的缺陷，使其容易受到外部渗透。例如不安全的Wi-Fi网关和没有正确设置的防火墙。

     (ii)操作系统漏洞。这些是特定操作系统中的缺陷，黑客可以利用这些缺陷进入或破坏安装了该操作系统的资产。例如默认超级用户帐户，它可能存在于某些操作系统安装和隐藏的后门应用程序中。

     (iii)人类的弱点。在如此众多的网络安全系统中，人为因素是最薄弱的环节。用户错误很容易暴露敏感数据，为黑客提供可利用的入口点，或导致系统故障。

     (iiii)过程漏洞。流程设计约束可能会导致一些漏洞。使用弱密码就是这种漏洞的一个例子。

     图3:漏洞的主要类型

     2.2.3。水平的脆弱性。不同强度的注入脉冲电流对STM32微机的影响是不同的。结合STM32单片机的电磁脉冲漏洞实验结果，检查STM32单片机的工作状态是否正常，串口通信功能是否改变为[24]。本文将实验现象分为干扰、故障、损坏三个漏洞级别，如图4所示，分析漏洞原因:

     图4：电磁脉冲脆弱性水平。

     (1)干扰:在脉冲电流注入的作用下，STM32单片机串行通信短时间内无法正常工作。但是，脉冲电流注入后，串口通信自动恢复正常，这种短时间的紊乱并不影响串口通信的正常工作功能。因此，将STM32单片机称为注入能量强度下的“干扰”。

     (2)故障:在脉冲电流注入的作用下，STM32单片机串行通信不能正常工作，手动按键后可恢复工作状态。

     新通电后仍停止工作。只有更换新的STM32单片机或串口通信引脚才能恢复其正常的工作功能那么就说STM32单片机在注入的能量强度[25]下“损坏”了。

     3.实验工作和结果

     在本节中，我们讨论我们的实验工作，我们提出的方案，然后详细解释其结果。

     3.1实验条件。对STM32单片机进行了脉冲电流感应耦合注入条件下的电磁脉冲易损性实验。电流注入设备主要由INS4040高频噪声发生器、9142-1N电流注入探头、9123-1N电流监测探头、30dB脉冲衰减器、Agilent示波器组成，可产生幅值为0.01-4kV的方波脉冲。方波脉冲注入数据行通过电感耦合使用校准9142 - 1 n电流注入探测器,以及9123 - 1 - n电流监测探头用于监控实时数据传输线上的脉冲电流,通过脉冲衰减器连接到安捷伦示波器,如图5所示。

     实验中，在实验条件不变，注入脉冲幅度均为400V时，依次对不同的数据线组合进行感应耦合注入。在Agilent示波器上观察到的典型脉冲波形如图6所示。

     3.2。实验工作的结果。根据GJB548B- 2005《微电子器件测试方法和程序》[26]的要求，采用分步法。首先，保持脉冲宽度不变。然后，从0.1 kV开始单次注入，依次步进值为0.01 kV。为防止累积效应造成实验结果的误差，每次注入的时间间隔应大于15 s[27]。最后，由于STM32单片机正常实现了串行通信，所以每次实验现象发生时，记录注入脉冲的幅度，通过手动按钮复位和重新供电的方式停止实验，直到STM32单片机不能正常工作为止。如果在第一次注入脉冲电流时STM32微机串行通信停止工作，则判断实验数据为无效[28]。需要检查STM32微机是否处于正常状态，并更换STM32微机重新开始实验[29]。

     图5 实验设备布置图。

     通过实验，可以发现不同

     实验条件和不同批次的STM32微机可以得到不同的实验现象和达到这些现象的阈值数据。 STM32微机电磁脉冲漏洞的实验现象如下:

     (1)注入脉冲电流后，串口通信可以自行恢复正常;液晶屏会引起闪屏现象，并自动复位。

     (2)脉冲电流注入后，需要手动按钮复位或重新通电才能恢复串口通信正常;液晶屏会出现死机、乱码、重复显示、显示0等现象。

     (3)脉冲电流注入后，通过手动按钮复位重新供电串口通信仍停止工作;液晶屏会造成无数据显示的现象。

     设置多个对照组，探究注入方式、串口通信线路材料、注入位置和注入极性对漏洞实验现象和阈值数据的影响。在其他因素不变的情况下，注入方式可分为注入串口通信线1、注入串口通信线2等六种情况;串行通信线路材料可分为屏蔽线、非屏蔽线和杜邦线;注射位置分别设置在离发送端25 cm、50 cm、75 cm处;注入极性可分为正脉冲注入和负脉冲注入。每种条件选取20个样本量。

     4.脆弱性分析

     电磁漏洞是指系统、设备或设备在电磁干扰的影响下性能下降或无法完成指定任务的特性。

     (a)

     (b)

     (c)

     (d)

     图6:感应耦合注入后的典型脉冲波形。(a)单串行通信线路注入。(b)注入两条串行通信线路。(c)注入单串通信线路和接地电极。(d)注入两条串行通信线路和接地电极。

     表1:注入方式对实验结果的影响(kV)

     表2串行通信线路材料对实验结果的影响(kV)

     表3注入位置对实验结果

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