SRAM型FPGA的抗SEU方法研究

通过分析静态随机访问存储器(Static Random Access Memorg,SRAM)型现场可编程门阵列(Field Programable Gate Array,FPGA)遭受空间单粒子翻转(SEU)效应的影响,并比较几种常见的抗SEU技术:三模冗余(Triple Module Redwcdancy,TMR)、纠错码(Error Correction Code,ECC)和擦洗(Scrubbing),提出了一种硬件、时间冗余相结合的基于双模块冗余比较的抗SEU设计方法。在FPGA平台上对线性反馈移位寄存器(Linear Feedback Shift Register,LFSR)逻辑进行软件仿真的抗SEU验证实现,将各种容错设计方法实现后获得的实验数据进行分析比较。结果表明,64阶LFSR的抗SEU容错开销与基于硬件的TMR方法相比,可以节省92%的冗余逻辑资源;与基于时间的TMR相比,附加时间延迟缩短26%。     

SRAM型FPGA单粒子效应逐位翻转故障注入方法

针对SRAM(Static Random Access Memory)型FPGA(Field Programmable Gate Array)空间应用的可靠性评测问题,提出一种逐位翻转的故障注入试验方法,利用动态重配置技术,通过检测逻辑电路设计配置存储单元中的单粒子翻转敏感位数量和位置,可计算出动态翻转截面和失效率,绘出可靠度变化曲线.分别对采用TMR(Triple Modular Redundancy)防护设计的和未采用TMR防护设计的SRAM型FPGA乘法器模块进行了故障注入试验,验证了得到的敏感位位置的正确性,并计算出各自的可靠性参数和曲线.     

星载SRAM型FPGA可靠性快速评估技术

空间辐射环境严重影响星载SRAM (Static Random Access Memory)型FPGA (Field Programmable Gate Array)的可靠性,提出了星载SRAM型FPGA可靠性快速验证评估方法.在传统故障注入验证的基础上,引入可靠性预评估技术,在逻辑门级分析单粒子翻转对FPGA配置信息位的影响,同时对TMR (Triple Modular Redundancy)冗余方式进行单粒子翻转关键位置评估.然后构成不同敏感级别的故障序列,最后根据应用需求选择不同故障序列进行故障注入从而有效快速评估系统可靠性.该方法与逐位翻转相比,能够在保证故障覆盖率的同时,有效地减少实验时间,提高实验效率.     

星用SRAM型FPGA的故障模式分析和容错方法研究

静态存储器（SRAM,static random access memory）型现场可编程门阵列（FPGA,field programmable gate array）是一种对空间辐射效应较为敏感的航天器电子元器件。由于其特有的构造和工作方式,单粒子辐射效应对SRAM型FPGA造成的影响及其引起的故障模式有着区别于一般电子元器件的特征。为了提高SRAM型FPGA在空间应用中的可靠性,以该类型FPGA的主流器件作为研究对象,深入分析了FPGA在空间应用中的各种故障模式,研究了相应的各种容错方法。研究表明,通过采取适当的FPGA容错方法,能够有效降低SRAM型FPGA因空间辐射而发生故障的可能性。     

一种基于FPGA位流回读与重配置的空间硬件容错方法

分析FPGA的配置数据帧格式以及整个器件中配置数据帧的类型和分布,在此基础上给出具体的位流回读故障检测方法和重配置容错方法,最后给出了实现该容错方法的一个实例.论文研究可为星上拟采用基于SRAM的FPGA的各分系统电路容错设计所借鉴.     

面向进化容错的FPGA故障模型研究

不同的容错方法需采用不同的故障模型。文章分析了进化容错方法的特点,提出需要研究与之相适应的FPGA故障模型。首先从故障模型定义出发提出故障模型划分的思想,从不同的角度研究FPGA故障模型;然后根据基于SRAM的FPGA的结构特点,从功能角度和配置角度提出两种FPGA故障模型划分,分析了两种故障模型划分方法所适用的容错方法。从配置角度划分FPGA故障模型有利于简化进化容错方法中的故障检测环节。故障检测实验的结果说明这种划分方法是有效的。     

一种新型低功耗SRAM读写辅助电路设计

针对低电压下静态随机存储器（SRAM）出现的读写性能损失的问题，设计了一种应用于低功耗SRAM的两步控制（DSC）的字线电压辅助电路技术，可以同时实现读和写辅助的功能，降低SRAM的最小工作电压从而降低功耗。写辅助通过字线开启前段的字线过驱（WLOD）实现，提高写数据速度和写阈值（WM）；读辅助通过字线开启后段的字线欠驱（WLUD）实现，降低静态噪声，提高稳定性。通过在28 nm互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺下，对256 Kbit SRAM进行前仿和后仿仿真验证，结果表明相比于传统结构，应用DSC字线电压技术的SRAM的最小工作电压降低100 mV，写时间减小10%，静态功耗降低30%，版图面积增大4%。      

航天器FPGA在系统局部重构容错设计研究

提出了一种新的FPGA在系统局部重构容错方法,可以较明显地削减容错配置数据量。阐述了新方法的原理及实现算法,分析了新方法的性能;为排除新方法实施过程中的障碍,提出了电路去耦的容错电路设计方法;运用新方法设计了深空探测遥控数据处理电路,并在Flash型FPGA演示了新方法的实施过程。     

GPS卫星信号模拟器中频信号处理与实现

利用数字内插、数字滤波、A/D(Analog／Digital)变换等软件无线电方法,建立GPS卫星信号模拟器中频信号处理的数学模型,提出了数字IF(Intermediate Frequency)的实现方法,且在matlab中进行了中频电路建模、优化和验证,完成了从数字基带信号处理到模拟中频信号生成.电路实现时尽量降低信号处理频率,缩小高频信号处理范围.利用verilog在ISE6.3中完成了数字中频模块的设计和仿真,对仿真输出的数字序列进行FFT(Fast Fourier Transform Algorithm)频谱分析,并在FPGA(Field Programmable Gate Arrays)中实现.      

新型数字-频率变换在科氏质量流量计中的应用

对新型全数字式科氏质量流量计频率输出信号采用数字—频率转换D/F(Digital to Frequency Conversion)方法实现.利用晶振和现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Arrays)与数字信号运算处理单元DSP(Digital Signal Processing)配合实现频率量输出,有效避免了传统的模拟式科氏质量流量计的电压—频率V/F(Voltage to Frequency Conversion)转换方法中存在的精度不高、温漂以及电路复杂等问题,而且也消除了由于频率刷新造成的输出频率非整周期对输出结果的影响.实验表明,该数字—频率转换方法具有较高的转换精度,实现了输出频率的整周期刷新,不存在V/F转换电路的温漂等问题.该电路简单,与数字电路实现无缝接口,对于数字系统的频率输出设计具有较高的参考价值.      

基于激光测振仪分离装置测量方法研究

针对目前采用的高速摄像测量方法存在误差较大与操作困难问题，提出了一种基于激光测振仪的新型测量方法，可以有效提高分离装置试验测量精度，为后续分离装置机构精确设计奠定基础。     

一种基于人工免疫系统的FPGA容错方法

通过对人工免疫系统容错性的分析和研究,提出了将人工免疫系统应用于硬件容错的4个条件.在此基础上设计了一种仿照人体细胞结构的新型FPGA可编程逻辑单元和一种基于人工免疫系统的容错方法.最后通过实验模拟故障的方法对该设计和容错方案的正确性和有效性进行了验证.     

SRAM型FPGA单粒子翻转效应加固方法

应用重离子加速器和皮秒脉冲激光器开展Virtex-Ⅱ FPGA（Field Programmable Gate Array）单粒子效应加固方法有效性研究.实验结果表明,同时应用三模冗余和动态刷新加固方法能够完全纠正单粒子效应产生的功能错误.实验获得数据加密算法在不同单粒子效应加固方法下功能错误截面,发现少量的存储位翻转就可以导致程序功能错误;程序功能对存储位翻转较敏感.分析Virtex-Ⅱ FPGA不同加固方法在不同卫星轨道的有效性,同时应用动态刷新和三模冗余加固方法,可以完全校正由于存储位翻转造成的功能错误.重离子加速器和脉冲激光器实验结果同时表明,脉冲激光可以模拟重离子加速器研究单粒子效应加固方法有效性.     

A new approach for pulse amplitude measurement using Lagrange’s interpolation for radiation or particle detectors

In radiation detector signal processing, usually, the charge-sensitive preamplifier converts the small charge signal coming from the semiconductor-based detector into voltage form and then the signal is further amplified to measure the energy of the incoming radiation. The voltage pulse from a charge-sensitive preamplifier (CSPA) is amplified using a shaping amplifier which reduces the signal bandwidth. To achieve better energy resolution, precise measurement of the peak amplitude of shaping amplifier output is required. The signal processing methods are available in which the signal from the charge-sensitive preamplifier can be directly digitized using high-speed Analog to Digital Converters (ADC), and then further signal processing such as gain and shaping is carried out inside the Field Programmable Gate Arrays (FPGA). For multiple detector systems, digital signal processing methods are quite difficult to implement in Field Programmable Gate Arrays (FPGA). In this context, The development of an alternative technique is initiated that uses a charge-sensitive preamplifier, shaping amplifier, low sampling analog-to-digital converter, and FPGA, where LaGrange’s interpolation technique is implemented in FPGA to precisely measure the peak of the analog pulse. In this paper, the comparison of the proposed method with other pulse amplitude measurement techniques is discussed. Results show that the implemented technique gives similar energy resolution compared to digital pulse processing and standard peak detector-based techniques.     

机载UMS分布式容错计算机系统设计

综合控制管理是机载机电设备发展的趋势.针对航空机电设备综合控制管理预研项目,利用分布式容错技术、高可靠航空电子总线技术和嵌入式实时多任务操作系统应用技术,设计并实现了一个分布式容错计算机系统.讨论了系统的工作特点、系统结构、通信网络、冗余管理和实时容错分布执行软件.      

基于矩独立重要度的电路系统容错设计方法

电路系统在运行过程中不可避免会发生失效，而容错设计可以有效降低失效风险。传统的电路系统容错方法主要是根据设计人员经验认知对电路系统进行分析改进，但是通常难以准确确定对系统性能影响显著的重要元器件。因此，提出了一种基于重要度分析的电路系统容错设计方法。首先，提出了电路系统矩独立重要度定义与计算方法，以对电路系统中各元器件的矩独立重要度进行计算和排序；然后，给出了冗余系数与冗余次数的定量关系，并提出重要度-冗余系数的映射准则，以此为基础即可实现电路系统的最佳容错设计；最后，以某空间电源稳压器电路为案例，验证了所提方法的有效性。所提基于矩独立重要度的电路系统容错设计方法对改进电路系统容错能力、提高电路系统可靠性有重要意义。      

Fault tolerant small satellite attitude control using adaptive non-singular terminal sliding mode

The Attitude Control System (ACS) plays a pivotal role in the whole performance of the spacecraft on the orbit; therefore, it is vitally important to design the control system with the performance of rapid response, high control precision and insensitive to external perturbations. In the first place, this paper proposes two adaptive nonlinear control algorithms based on the sliding mode control (SMC), which are designed for small satellite attitude control system. The nonlinear dynamics describing the attitude of small satellite is considered in a circle reference orbit, and the stability of the closed-loop system in the presence of external perturbations is investigated. Then, in order to account for accidental or degradation fault in satellite actuators, the fault-tolerant control schemes are presented. Hence, two adaptive fault-tolerant control laws (continuous sliding mode control and non-singular terminal sliding mode control) are developed by adopting the nonlinear analytical model to describe the system, which can guarantee global asymptotic convergence of the attitude control error with the existence of unknown external perturbations. The nonlinear hyperplane based Terminal sliding mode is introduced into the control law design; therefore, the system convergence performance improves and the control error is convergent in “finite time”. As a result, the study on the non-singular terminal sliding mode control is the emphasis and the continuous sliding mode control is used to compare with the non-singular terminal sliding mode control. Meanwhile, an adaptive fuzzy algorithm has been proposed to suppress the chattering phenomenon. Moreover, several numerical examples are presented to demonstrate the efficacy of the proposed controllers by correcting for the external perturbations. Simulation results confirm that the suggested methodologies yield high control precision in control. In addition, actuator degradation, actuator stuck and actuator failure for a period of time are simulated to demonstrate the fault recovery capability of the fault tolerant controllers. The numerical results clearly demonstrate the good performance of the adaptive non-singular terminal control in the event of actuator fault compare with the continuous sliding mode control.