Xilinx FPGA自主配置管理容错设计研究

针对SRAM型FPGA在空间辐射环境下容易受到单粒子效应影响的问题,在分析可重配置的Xilinx FPGA的结构和故障模式的基础上,提出一种基于自主配置管理的Xilinx FPGA容错设计方案。综合运用诸如逻辑电路三模冗余、块存储器EDAC校验、动态回读、动态局部重配置及周期全局重配置等方法实现故障的屏蔽、检测和修复。该方案覆盖了FPGA的各种单粒子效应故障模式,并且在芯片内部实现了自主配置管理,具有体积小、成本低、可靠性高的特点。     

FPGA运算单元单粒子错误的Berger/余数联合结果校验法

针对空间环境中FPGA局部功能运行的重要运算模块受到单粒子效应的威胁,提出了Berger/余数联合结果校验法的加固设计方法。通过分析指出,由于Berger结果校验所需的进位链在FPGA中不易获取,加法、减法、乘法运算的正确性利用余数校验法检测,其它运算结构利用Berger结果校验法检测。给出了联合结果校验法的思路和逻辑实现方法,并分析了该方法对FPGA资源和速度性能的影响。单粒子故障仿真注入实验结果表明:对于VirtexII系列FPGA运算单元的单粒子效应故障,Berger/余数联合结果校验法的单粒子效应故障检测概率达到99.8%,引入的资源增加为10～40个SLICES,运算速度降至50～100MHz。     

基于数据质量的机电系统BIT虚警研究

机电系统机内自测试(BIT)虚警问题一直是困扰其发展和应用的重要因素.本文首先明确了数据质量在机电BIT检测过程中的作用,对数据质量的属性及数据异常判断方法做了简要介绍.在分析了数据异常将可能导致BIT虚警之后,提出在BIT诊断和决策前加入数据异常判断环节,分析结果表明,此方法能够有效地降低机电BIT系统虚警率,提高其故障检测率.     

一种基于FPGA的抗辐射加固星载ASIC设计方法

针对静态随机存储器(SRAM)型现场可编程门阵列(FPGA)空间应用的问题,提出了基于FPGA星载抗辐射加固专用集成电路(ASIC)设计的全流程,并重点对扫描链设计、存储器内建自测试、自动向量生成、ASIC封装设计、散热设计、加电振动试验等关键点的设计方法和注意事项进行了介绍。通过设计、测试、封装、试验,实现了基于静态随机存储器型FPGA转化为抗辐射加固ASIC。ASIC抗辐射总剂量大于100krad(Si),抗单粒子闩锁(SEL)阈值大于75 MeV·cm~2/mg,抗单粒子翻转(SEU)阈值大于22 MeV·cm~2/mg,满足空间应用的要求,具有很好的应用前景。     

计算机RAM检错纠错电路的设计与实现

分析了在空间环境下影响RAM可靠性的主要因素及主要故障模式,介绍了利用FPGA实现RAM 检错纠错电路的方法,给出了仿真结果,并将此方法同用中小规模集成电路实现RAM EDAC的方法进行了比较。     

赛灵思静态随机存储器型FPGA单粒子翻转检测

以XILINX XC2V3000现场可编程门阵列（FPGA）为例,分别通过ICAP和Selectmap接口对配置存储器进行回读检测,并通过局部动态重构的方法实现了故障注入,对单粒翻转（SEU）检测方法进行验证。结果证明回读与重配置是进行FPGA抗SEU设计的有效方法。     

一种低成本纳卫星星载计算机容错方法

为了提高纳卫星星载计算机系统的可靠性,减少体积、质量及功耗等多方面因素的影响,文章提出了一种软硬件结合的低成本容错设计方法。将星载计算机硬件采用双机冗余冷备份方案,通过现场可编程门阵列(FPGA)对故障处理器进行仲裁切换;软件容错通过错误检测与纠正(EDAC)信息容错技术的实现,对星载计算机整体程序进行纠错检错,以对抗单粒子翻转事件。结果表明:该方法能够对星载计算机系统进行有效的故障切换处理,并降低单粒子事件的不良影响,可以在纳卫星系统中推广应用。     

扩频信号快捕算法硬件设计与实现

为提高扩频信号捕获门限及伪码相位捕获准确度 ,在多通道并行捕获技术的基础上介绍块匹配算法和单点多次平滑算法两种相关峰检测方法 ,并在以 FPGA和 DSP为核心的单板系统上实现。其中单点多次平滑算法已应用于工程实际中的软件数据处理算法。实践表明 ,该方法有效地提高了检测门限 2 d B。在 FPGA数字电路设计实现中 ,提出了多个并行捕获通道共用一个载波 NCO,一个伪码 NCO及伪码产生器的方法 ,大大节省了硬件资源 ,在规模为 1.6万门的 FPGA芯片内共设计码并行快捕通道 12 8个。     

辐射效应对SRAM型FPGA可靠性的影响分析

分析了空间辐射环境对SRAM型FPGA可靠性的影响,总结归纳了空间应用SRAM型FPGA的故障模式,供FPGA产品设计人员参考。     

基于ILLE和SVM的卫星执行机构系统故障检测与定位

针对某超高指向精度要求的卫星平台,采用增量式局部线性嵌入(ILLE)与支持向量机(SVM)结合的方法,研究系统配置的多组磁伺服机构的故障检测与故障定位技术。在分析执行机构故障模式以及故障影响的基础上,采用LLE算法实时提取并更新与故障相关的卫星姿态控制系统高维信息,对其进行降维及特征提取,实现执行机构系统故障检测。当检测到故障时,提取执行机构系统输入输出信息,利用支持向量机(SVM)方法进行故障定位。该方法无需采集离线数据生成样本集,直接利用卫星姿控系统产生的在线故障特征数据集进行故障检测,并能根据故障检测结果,有效地实现卫星姿控系统执行机构的故障定位。算例仿真结果验证了所提方法的有效性。     

航天器遥控FPGA片上容错设计技术研究

结合深空探测项目研制任务研究遥控数据接收处理电路FPGA片上容错设计技术。在研究航天器遥控数据接收处理电路数据模型的基础上,提出遥控数据接收处理电路FPGA片上小粒度自主备份容错设计方法;应用此新方法进行遥控指令通道FPGA设计优化;针对FPGA缺陷成团性,进行遥控指令通道FPGA布局优化,最终设计出能够自主容错,容错能力更强,可以应对缺陷成团性影响的新一代遥控指令通道FPGA。这一FPGA的实现,验证了文中提出的新方法,也为未来深空探测项目、微小卫星等提供新的遥控产品。     

基于可满足性问题求解器的星上FPGA永久损伤容错技术研究

现代卫星广泛使用的FPGA在空间高能粒子的影响下,会产生门电路的永久性损伤。而传统的三模冗余等容错方法不但成倍增加了系统硬件开销,还存在因冗余器件耗尽而失效的风险。因此,提出一种利用FPGA自身冗余资源,修复永久性损伤的容错方案。该方案通过建立FPGA内部资源的功能模型,将容错问题转化为数学上的可满足性问题。并且利用经过改进的GSAT算法对该问题求解,可以获得在功能上与损伤前完全相同的电路结构,及其所对应的FPGA配置文件。将该文件重新下载到FPGA中,可以屏蔽损伤带来的影响,从而达到利用FPGA自身冗余资源容错的目的。通过实验和分析可以看出,本文方案具有对损伤修复成功率高、计算量小和需要内存空间少的特点,因此符合星上计算能力和硬件资源十分有限的实际情况。     

基于FPGA中CLB结构模型的内部进化及其容错

内部进化是研究在线可进化硬件的方法,可用于实现容错、自适应的航天器硬件系统.现场可编程门阵列(FPGA,Field Programmable Gate Array)是目前实现数字电路进化的主要可编程逻辑器件.本文分析了FPGA的结构特点,对其基本组成单元可配置逻辑块(CLB,Configurable Logic Block)的结构进行了简化,提出一种可编程逻辑器件模型,设计了一种基于该模型的内部进化方法,并实现了一个内部进化系统.采用故障注入的方法对内部进化的容错特性进行了研究,讨论了可进化硬件实现容错的条件.     

卫星扩频应答机抗单粒子翻转技术研究

对卫星扩频应答机抗单粒子效应的方法进行分析，设计了采用反熔断丝工艺的FPGA （A54SX32），通过回读比对功能对FPGA 进行监控和处理。此方法大大降低了单粒子效应造成卫星扩频应答机发生功能性故障的可能性，并在系统中通过内部高可靠单机对易发生单粒子效应的扩频应答机进行监控，诊断出故障后进行修复，同时设计定时复位对应答机进行复位、开机操作，确保卫星在轨扩频应答机的正常稳定工作。     

基于SRAM的FPGA片上容错技术

针对基于SRAM的FPGA的结构特点，对三模冗余进行了改进，提高了可靠性。提出了一种有多个重构模块可以容忍多个故障的局部重构方法，阐述了其实现方法，并做了性能分析，运用此方法设计了自主研发项目中的遥测、遥控电路，并在美国Xilinx公司的Virtex系列FP-GA上演示了其实施过程。     

面向空间应用的双核容错微处理器的研究与实现

介绍了用双核微处理器实现的容错微处理器系统SPARC—V8FIS。该系统由两个同构微处理器与支持容错操作的容错管理模块组成。微处理器是基于SPRARCV8规范的32-bit微处理器。容错管理模块提供了错误检测、诊断、从“软故障”中故障恢复，以及当发生“硬故障”时，将系统配置成单一处理器继续执行的机制，以适应空间复杂环境应用。SPARC—V8FIS用较少的硬件实现了所有容错操作，以很低的性能损失达到了很高的系统可靠性。     

航天用SRAM型FPGA抗单粒子翻转设计

采用SRAM工艺的FPGA因其性能优异,在空间领域的应用受到重视;但是在空间环境中,SRAM型FPGA易受单粒子翻转的影响而导致逻辑故障或功能中断。文章提出对该类芯片的配置逻辑部分采用回读比较后刷新、对其BRAM部分采用通用自纠错宏的抗单粒子翻转（SEU）设计方案,在牺牲一定的器件性能的情况下,能达到较好的抗辐射效果。     

一类非线性系统的故障可诊断性量化评价方法

为将提高卫星控制系统故障诊断能力的工作重点前移到地面设计阶段,针对其中的关键问题--可诊断性评价,提出一种适用于非线性模型的可诊断性量化评价方法,对传统定性评价研究进行了有效的扩展和延伸。鉴于线性化处理导致非线性因素引起的故障被忽略,将卫星控制系统描述成一类仿射非线性模型;并基于微分几何理论,给出可诊断性（包括可检测性和可隔离性）的定义和定性评价指标--不变最小对偶分布。通过子空间相似度判别准则,根据故障方向矢量和所得不变分布以及不同故障方向矢量之间的夹角关系,分别设计可检测性和可隔离性的量化指标,并给出具体评价流程;该指标能够明确故障被检测和隔离的难易程度,并可用于指导诊断算法的设计和传感器的优化配置。最后,以动量轮为仿真实例校验本文所提方法的正确性;仿真结果表明：该方法在不依赖任何诊断算法和具体故障模式的前提下,可以实现可检测性和可隔离性的准确量化评价。     

基于快速终端滑模的航天器自适应容错控制

针对存在不确定的执行机构部分失效故障和未知外界扰动的航天器姿态跟踪控制问题,提出了一种基于自适应快速终端滑模控制的容错控制方法。在没有故障检测与诊断信息的情况下,采用快速终端滑模控制原理,利用自适应算法在线估计得到的故障信息,设计具有鲁棒性的容错控制器,使系统在执行机构故障发生时,能在有限时间内以指数收敛,实现系统有限时间渐近稳定,以及对航天器的容错控制和干扰的抑制。仿真结果表明,与基于普通滑模控制器的容错控制相比,该方法在保证系统鲁棒性和可靠性的同时,具有更快的收敛速率,实现执行机构故障时有效的航天器姿态跟踪控制。