一种面向航天器综合电子的ASIC芯片设计

航天器综合电子系统通用功能集成并芯片化是目前航天器电子系统的发展趋势. 针对中国航天器电子系统小型化、综合化的应用需求,提出一种面向航天器综合电子的ASIC芯片设计方案,分析了ASIC芯片设计中的关键技术,包括芯片系统工作模式、IP核的开发应用、可靠性和低功耗设计,1553B简易终端控制模式是芯片的技术特色和典型应用. ASIC芯片的功能设计、系统仿真验证、FPGA验证和物理设计均已完成,进入流片状态. 芯片的FPGA验证结果证明了芯片设计的有效性和可靠性. ASIC芯片旨在达到国军标548S的要求,应用场景是航天器内数据总线接口单元和遥测遥控.      

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.     

1553B总线控制器编解码设计

1553B总线以其可靠性高、实时性好的优点被广泛应用于航天领域.针对目前中国采用进口芯片实现1553B通信存在的弊端，这里采用FPGA来实现1553B通信.当前1553B解码器只支持正负信号同时输入.本文对解码器进行改进，实现支持只正端信号输入、只负端信号输入和正负端信号同时输入三种模式.根据1553B编码器和解码器的设计过程和工作原理对所提方案进行测试.结果表明，本文设计方案与采用进口芯片的方案相比，测试结果一致性良好.经过大量测试，这里设计的具有自主知识产权的1553B IP核运行稳定，能够满足航天工程化的要求.      

基于FPGA的小型化太阳敏感器图像采集与处理方法

介绍一种适用于小型化太阳敏感器图像数据采集及处理系统的实现方法.系统设计使用了抗辐射加固COMS APS图像传感器芯片和现场可编程门阵列(FPGA),利用FPGA实现了对图像传感器芯片的控制和对图像数据的检测、采集、缓冲、预处理以及传输,同时协调系统各部分的工作.最后,给出了这种小型化太阳敏感器的标定结果,试验结果表明各项指标可以基本达到国际航天同类产品设计水平.     

面向空间应用高可靠图像数传设备的设计与实现

针对空间高速图像数传任务需求, 设计并实现了一种采用SpaceWire总线传输协议的高速图像数传设备. 该设备的硬件以FPGA为控制核心, 完成对SpaceWire协议芯片的初始化配置、收发数据包处理、中断和异常状态处理等操作. 重点阐述了FPGA的可靠性设计, 包括状态机设计、异步时钟域设计和数据包传输与链路错误的恢复设计. 测试表明该设备能够稳定可靠地实现140 Mbit/s的图像数据传输, 对于链路的突发错误在一定时间内具有错误数据恢复能力, 能够有效保证传输数据的正确性和稳定性.      

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.     

航天飞行器电磁兼容性概述

简要说明了形成电磁干扰的三要素和航天飞行器存在的电磁干扰问题。举例说明了电磁兼容分析方法和步骤,应用计算机作系统兼容性预测分析的原理和模型.介绍了航天飞行器的电磁环境要求,系统间和系统内电磁兼容设计技术。阐述了在单机经过 EMC 验收后为什么还要进行系统级试验的理由.提供了一个航天飞行器系统级 EMC 试验的试验配置,对测量系统各部分的功能和试验程序作了说明.     

DC／DC变换器在航天器二次电源中的应用

DC／DC变换器以其可靠性好、集成度高、体积小、效率高等特点,在航天工程二次电源系统中得到广泛应用．但是在DC／DC直流变换过程中容易引入或形成各种干扰噪声,不仅直接影响供电质量,而且影响航天器的技术性能及指标．为解决干扰问题,提高二次电源的可靠性,结合航天器实际任务,讨论分析了DC／DC变换器设计应用中的关键技术,主要包括软启动设计、滤波设计、EMC设计、可靠性设计、抗辐照设计等．综合采取上述措施后,二次电源的可靠性大大提高,浪涌电流减少至原来的1／20,输出纹波减少至原来的1／4．通过对二次电源输出电压线的传导发射测试（CE）和二次电源机箱的辐射发射测试（RE）,发现其测量值均低于标准中规定的极限值．实验结果及工程实际应用结果表叽所提出的设计方案具有良好的效果．     

临近空间中子辐射环境分析及其引起的单粒子效应预计研究

使用Space Radiation 7.0工具分析临近空间中子辐射环境，研究其与海拔高度、太阳活动和经纬度的关系及内在原因.在此基础上，提出了一种基于蒙特卡罗方法的大气中子实时错误率预计方法，并以航空电子系统关键集成电路FPGA为例，预计其单粒子翻转敏感模块包括配置存储器、块存储器和用户触发器，单粒子功能中断敏感模块包括上电复位电路、SelectMAP接口等的实时飞行错误率.结果表明，配置存储器中发生的单粒子翻转达到总单粒子翻转率的77%，而上电复位电路和SelectMAP接口中发生的单粒子功能中断各占总单粒子功能中断率的36%.根据RTCA DO-254对飞行系统失效等级的划分，该FPGA器件不可用于航空电子系统关键位置.      

地面数字电视基带调制器芯片电源网络设计

对IR-drop和EM现象进行了解释和分析,结合地面数字电视基带调制器芯片的设计,将标准单元区域简化为电源电阻网络进行建模,根据模型计算出最大电压降,在保证最大电压降区域能够正常工作的基础上,简单有效地设计了标准单元模块区域的电源网络,最后在考虑到宏模块电源环压降的前提下,将宏模块区域转化成标准单元区域进行建模,完成了整个芯片的电源网络设计.此方法运用于早期布局,确保电源分配的可靠性,提高设计效率,通过地面数字电视多媒体广播的全模式发射端芯片的流片成功和功能的实现,证明了该方法的实用性和有效性.     

金刚石膜在宇航应用中的新进展

金刚石膜的研究已进入了以应用为主的阶段。介绍了金刚石膜的最新发展水平；概括了它们的空间光学摩擦润滑，空间电子装置的热管理和环境探测方面的一些应用；指出了金刚石膜航天工业中的重要性，它们的相互促进关系和发展前景。     

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。     

空间多模冗余热备份嵌入式电子系统精确同步算法研究

为了使空间嵌入式电子系统冗余的热备份多模之间获得精确时间同步,基于IEEE1588协议,在空间多模冗余热备份嵌入式电子系统的全交织网络基础上,采用FPGA/ASIC技术,结合软件和硬件同步提出了一种精确时间同步算法.该算法既有硬件同步的精度优势,又具有软件同步的成本优势和容错能力,并且时间同步精度可达到百纳秒量级,经过系统仿真验证了此算法的有效性.     

基于功能建模的含FPGA电路板测试方法研究

由边界扫描和非边界扫描器件组成的非完全边界扫描电路板普遍存在,其故障检测与隔离是板级维修测试的难题。基于边界扫描和数字I/O的测试方法无法完成整板功能测试,提出了一种基于功能建模的含FPGA电路板测试方法。首先在FPGA开发环境中生成VITAL模型,实现其功能建模;然后将配置文件和VITAL格式数据导入LASAR,完成电路板的好板仿真和故障仿真,并生成后处理文件;最后在ATE上调用后处理文件,实现含FPGA电路板的自动测试和故障诊断。该方法无需更改测试系统软硬件,可实现该类电路板的功能测试。     

基于3D-Winograd的快速卷积算法设计及FPGA实现

近年来，卷积神经网络（CNN）已被计算机视觉任务广泛采用。由于FPGA的高性能、能效和可重新配置性，已被认为是最有前途的CNN硬件加速器，但是受FPGA计算能力、存储资源的限制，基于传统Winograd算法计算三维卷积的FPGA解决方案性能还有提升的空间。首先，研究了适用于三维运算的Winograd算法一维展开过程；然后，通过增加一次性输入特征图和卷积块的维度大小、低比特量化权重和输入数据等方法改善CNN在FPGA上的运行性能。优化思路包括使用移位代替部分除法的方法、分tile方案、二维到三维扩展及低比特量化等4个部分。相对传统的二维Winograd算法，优化算法每个卷积层的时钟周期数减少了7倍左右，相较传统滑窗卷积算法平均每个卷积层减少7倍左右。通过研究，证明了基于一维展开的3D-Winograd算法可以大大减少运算复杂度，并改善在FPGA运行CNN的性能。      

工业总线标准电容层析成像系统设计

为保证电容层析成像(ECT)系统满足航空航天领域多相流参数测试的要求,开发了一套基于CPCI工业总线标准的ECT系统。采用高性能现场可编程门阵列(FPGA)芯片作为主控芯片,实现信号激励模块、多路复用开关模块、数据处理模块、数据解调和传输模块的集成式设计,将采集信号进行预处理,实现信号的滤波、放大和相敏解调,并通过CPCI工业总线接口把解调后的电容数据传送至系统上位机,完成图像重建。实验测试结果表明:系统采用1 MHz激励信号和8电极传感器的工作模式下,采用10周期的测试信号解调时,图像采集速度可达1 785幅/s,信号的信噪比高于60 d B,成像结果具有良好的空间分辨率。     

浅析航天型号计量保证工作

计量保证工作是航天型号任务质量保障的基础，关系着型号任务的成败。主要介绍了航天型号任务中计量保证工作的现状和不足，结合航天型号任务的全流程工作，提出在型号任务各环节的计量保证工作建议。     

基于脉冲超宽带的星载高速无线数据网络设计

针对卫星内高速数据通信现有的点对点LVDS线缆通信带来的线缆束缚、布局困难、成本增加的难题，提出一种基于脉冲超宽带的星载高速无线数据网络设计方案，介绍了脉冲超宽带收发机、高速无线网络协议和无线网络节点软硬件设计的关键技术.发射机采用阶跃恢复二级管（SRD）产生皮秒级脉冲信号；超宽带脉冲接收采用幅度检测方法；无线高速网络协议设计参考美国军用数据总线标准MIL-STD-1553B协议，采用时分制指令响应机制，对1553B标准的许多指标进行扩展以适应UWB无线信道和高速传输特点，并通过FPGA成功实现.测试显示，地面演示系统应用层数据传输误码率小于10-9，表明了基于脉冲超宽带的星载高速数据网络设计的可行性和可靠性.