一种SRAM型FPGA内嵌CPU软核的SEU效应防护设计与验证

SRAM型FPGA内嵌CPU软核开发成本低、开发过程灵活,可以替代独立的DSP或CPU器件,执行星载设备核心控制功能。但这种内嵌CPU软核容易受到空间单粒子翻转效应(SEU)的影响。SEU可能导致内嵌CPU软核的硬件或软件故障,对其在轨应用影响较大。提出一种针对SRAM型FPGA内嵌CPU软核的SEU防护方案,通过"三模冗余+动态刷新"对CPU软核的硬件结构进行防护,通过冗余自刷新模块替换对CPU软核的存储区进行防护。该方案经过了软件注错验证及粒子辐照试验验证,证明其能够有效提高SRAM型FPGA内嵌CPU软核对SEU的容错能力。     

SRAM型FPGA空间应用的抗单粒子翻转设计

SRAM型FPGA容易受到空间辐射环境引起的单粒子翻转(SEU)的影响,造成FPGA逻辑错误和功能中断,因此空间应用时必须对其进行抗单粒子翻转加固设计,提高其空间应用的可靠性。文章综述了几种FPGA抗单粒子翻转的设计方法,包括三模冗余设计、动态刷新设计和动态部分可重构设计等。利用构建的测试系统,验证以上多种FPGA抗单粒子翻转设计方法的工程可实施性。     

星载扩频应答机抗SEU 方法及验证

对星载扩频应答机抗单粒子翻转(SEU)的方法进行了研究,从单机层面提出了扩频应答机基带现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理(DSP)抗SEU的方法,包括配置存储区回读校验、"看门狗"、三模冗余、动态刷新和程序区巡检等设计方法;从系统层面提出了由星上特定设备根据规定的原则对扩频应答机进行关机和开机操作的有效解除单粒子故障的方法。根据我国S频段非相干扩频应答机在轨飞行试验结果,单机发生SEU后自主恢复的概率超过99%,其余1%采用系统级的方法进行了恢复,验证了文章所述方法的有效性和正确性。     

干涉测量系统数字基带转换方法研究

首先介绍两种典型的适用于干涉测量系统的数字基带转换方法,然后采用并行结构和多相结构对正交混频方法进行改进,得到高效的基于并行下变频的方法。结合多相滤波的高效性与正交混频的灵活性,得到更加高效的多相滤波与正交混频结合法。通过比较两种方法的效率和功耗,得到多相滤波与正交混频结合法性能更优的结论。     

一种面向航天应用的高可靠FPGA设计架构研究

SRAM型FPGA广泛应用于航天领域,但在空间环境中容易发生单粒子翻转事件(SEU),影响系统正常功能。文章在分析以往SRAM型FPGA系统设计的不足后提出了一种采用三模冗余架构(TMR)并对FPGA配置区域进行刷新重载的解决方案,采用马尔可夫模型对该设计方案进行了可靠性评估和仿真。结果表明,采用该架构的FPGA设计具有较高的可靠性与安全性,可实现宇航用FPGA的长期稳定运行。     

SRAM FPGA电离辐射效应试验研究

针对SRAM FPGA空间应用日益增多,以100万门SRAM FPGA为样品,进行了单粒子效应和电离总剂量效应辐照试验。单粒子试验结果是:试验用粒子最小LET为1.66 MeV·cm2/mg,出现SEU（单粒子翻转）;LET为4.17 MeV·cm2/mg,出现SEFI（单粒子功能中断）,通过重新配置,样品功能恢复正常;LET在1.66～64.8 MeV?cm2/mg范围内,未出现SEL（单粒子锁定）;试验发现,随SEU数量的累积,样品功耗电流会随之增加,对样品进行重新配置,电流恢复正常。电离总剂量辐照试验结果是:辐照总剂量75 krad(Si)时,2只样品功能正常,功耗电流未见明显变化。辐照到87 krad(Si)时,样品出现功能失效。试验表明SRAM FPGA属于SEU敏感的器件,且存在SEFI。SEU和SEFI会破坏器件功能,导致系统故障。空间应用SRAM FPGA必须进行抗单粒子加固设计,推荐的加固方法是三模冗余（TMR）配合定时重新配置（Scrubbing）。关键部位如控制系统慎用SRAM FPGA。     

基于快行FIR滤波器的数字下变频设计及FPGA实现

在雷达系统设计中,对接收的宽带回波信号直接进行中频采样,然后数字下变频实现正交解调,这样可减少系统的复杂性,提高微波遥感信号处理器的数字化程度和性能.针对高速数字下变频模块时钟速率高和硬件资源消耗大的设计难点,采用8路并行滤波方法降低时钟速率,并优化了滤波器的实现结构,在DSP48硬件资源消耗上节省大约40％.在FPGA中编程实现了8路快行滤波器的数字下变频模块,最后实验结果表明该方法在2 Gb-ps高速采样率下性能优异,占用硬件资源较少,具有较高的工程可行性和实用性.     

卫星控制系统的三机容错计算机系统

本文讨论了容错计算机的三种容错结构,即D/S(双机变单机)、TMR/J(三模冗余变单机)、以及TMR/D/S(三模冗余变双机再变单机)结构。给出了三种容错结构的可靠性数学模型,对影响可靠性的诸多因素进行了讨论、比较,确定采用TMR/S方案。文中对TMR/S的硬件设置及容错管理程序做了简要介绍。对从事容错设计的工程技术人员有一定参考价值。     

低轨互联网卫星在轨单粒子翻转分析及防护措施

空间单粒子翻转（SEU）对于在轨卫星寿命和可靠性有着较大的影响,然而,针对低轨互联网卫星1000～1200 km的典型极地轨道空间SEU,目前缺少在轨试验验证结果。文章对某型号的两颗卫星在轨7个月以来的SEU事件记录数据进行处理和分析,给出互联网卫星1050～1425 km不同轨道高度上的SEU事件发生的频度、区域及概率,结合在轨运行情况提出互联网卫星在轨单粒子翻转的软硬件防护设计措施。数据表明,在当前低轨互联网卫星的典型轨道高度上,对于抗单粒子翻转阈值为0.7 MeV·cm2/mg的低阈值SRAM器件,在轨SEU事件大部分发生在SAA区域,发生概率约为7.63×10-7 bit-1·d-1。结合卫星在轨空间防护设计经验,通过加强元器件选用控制、软硬件冗余设计、关键器件限流等措施,可以有效提高低轨互联网卫星的在轨可靠性。     

高速SpaceWire协议IP的可靠性增强方法

针对航天高速SpaceWire总线系统对协议IP的高可靠性要求，提出一种用于静态随机访问存储器(SRAM)型现场可编辑逻辑门阵列(FPGA)的增强三模冗余(TMR)方法。该方法对传统三模冗余和部分三模冗余做了改进，将需要进行三模冗余的原设计分为一般单元集和可靠性薄弱的关键单元集，对一般单元集中的每个单元做三模冗余，对关键单元集中的每个单元做顺序四模冗余。给出了顺序四模冗余的可靠度计算式和表决器的布尔表达式。建立了系统可靠性的马尔科夫模型并基于模型开展了可靠性仿真。仿真结果表明增强三模冗余系统的可靠性不仅明显优于传统三模冗余系统，而且优于部分三模冗余系统，使系统可靠性得到有效提高。     

商用FPGA器件的单粒子效应模拟实验研究

描述了商用Xilinx Virtex\|II Pro器件的重离子辐射实验,以评估器件的单粒子翻转(SEU)特性并检验测试方法的有效性。针对器件不同的功能模块设计不同的实验方案,分别测试了FPGA配置信息,内嵌PowerPC处理器和RocketIO Gbit收发器的单粒子翻转截面,并对观察到的错误进行分析与分类。实验同时表明配置信息的周期刷新和三模冗余设计是减轻单粒子效应的有效方法。
     

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。     

基于改进型(14,8)循环码的SRAM型存储器多位翻转容错技术研究

SRAM型存储器空间应用通常采取纠一检二(SEC-DED)的方法,克服空间单粒子翻转(SEU)对其产生的影响。随着SRAM型存储器工艺尺寸的减小、核心电压的降低,空间高能粒子容易引起存储器单个基本字多位翻转(SWMU),导致SEC-DED防护方法失效。在研究辐射效应引起的SRAM型存储器多位翻转模式特点的基础上,提出一种基于改进型(14,8)循环码的系统级纠正一位随机错和两位、三位突发错同时检测随机两位错(SEC-DED-TAEC)的系统级容错方法。基于该方法的存储器系统容错设计具有实现简单、实时性高的特点,已成功应用于某型号空间自寻的信息处理系统。仿真试验及实际应用表明,该方法可以有效防护SRAM型存储器件SWMU错误,有效提高了空间信息处理系统可靠性,可以为其它空间电子系统设计提供参考。     

新一代运载火箭闭式增压控制技术研究

提出一种闭式增压控制方案,三模冗余增压控制装置录取推进剂贮箱冗余设置的数字压力传感器信号,基于闭式增压控制方程,采用3取2表决输出控制指令对多路电磁阀实施开闭控制,使贮箱压力控制在理想范围;然后介绍了闭式程序增压和备保固定时序增压的控制算法。工程应用和试验结果表明,闭式增压控制技术方案可行,增压控制方法合理。本文方案产品通用性好,增压控制可靠性高,系统适应性强,具有良好的推广应用价值。     

星载综合孔径微波辐射计冗余空间定标方法研究

星载综合孔径微波辐射计系统为了实现更好的辐射测量性能,在地面对通道间剩余相位通过相位定标实验进行测量,其结果用于亮温重构时对通道间剩余相位进行补偿。冗余空间定标方法基于自身阵列冗余基线信息,该方法无需额外资源支持即可对星载综合孔径微波辐射计系统定标,可作为一种在轨的验证方案对系统综合孔径微波辐射计系统通道间剩余相位进行评估。系统性的介绍了基于星载综合孔径微波辐射计系统观测到的场景,冗余空间定标方法以及对平坦场景提出利用模拟的平坦目标响应相位修正的方法,可在点源场景、平坦场景下利用冗余空间定标方法求解通道间剩余相位,并结合仿真验证该方法的可行性。     

三模冗余对SRAM型FPGA寄存器上电状态的影响分析

SRAM型FPGA容易受到空间辐射环境引起的单粒子翻转效应影响，造成软件在轨故障进而影响任务成败，因此在空间应用时普遍采用三模冗余技术进行设计加固来提高软件可靠性。使用Xilinx TMRTool工具实现SRAM型FPGA的三模冗余是目前流行的三模冗余实现方式，该方式无需额外编写代码，简化了设计师的工作。分析了Xilinx TMRTool对软件网表文件的改变流程和机理，对比了三模冗余处理前后FPGA寄存器的不同布局布线结果，分析了三模冗余工具对寄存器置位和复位的影响，给出了以SRAM型FPGA为核心控制器的产品设计建议。     

一种针对COTS器件的抗辐射加固方法

随着商用现货(COTS)器件在空间任务中的广泛应用,COTS器件的抗辐射加固显得尤为重要,针对COTS器件在空间环境下易受宇宙射线和高能粒子冲击而产生辐射效应的特点,文章结合三模冗余(TMR)技术与现场可编程门阵列(FPGA)的重构技术,提出了一种基于TMR的可重构星载处理单元抗辐射加固方法。通过基于Markov过程的可靠度分析可知,冗余和重构技术相结合可以使处理单元具有更强的容错能力。文章利用实验模拟验证了该星载处理单元的各项关键技术,结果表明:此处理单元能够屏蔽单模故障,并能够定位和修复由空间复杂环境引发的软错误。     

基于FPGA的多通道数字接收机设计与实现

针对多通道数字接收机在雷达和移动通信等领域的应用需求,提出了一种基于FPGA的4通道数字接收机的实现方案。采用4个AD9230芯片对射频模拟信号进行并行数字化处理,然后在FPGA中实现数字下变频和整个系统的配置;通过对积分梳状滤波器（CIC）和半带（HB）滤波器的级数和选通控制,实现覆盖范围为1～16384倍的抽取滤波...     

Chirp超宽带数字接收机设计与实现

文章针对超宽带通信技术快速发展的需要,设计了一个Chirp超宽带数字接收机。该接收机使用数字匹配滤波器避免了模拟滤波器带来的巨大插入损耗,并可以使用较为简单的方法实现时间同步。在硬件实现上,利用单比特量化匹配滤波器系数降低接收机的资源占用。实验表明该接收机结构简单、资源占用少、性能较好。     

空间DSP信息处理系统存储器SEU加固技术研究

当前以高性能DSP为核心的信息处理系统被广泛应用于空间飞行器电子系统 中。DSP系统为实现大数据量信息处理,通常需要扩展其外部存储器。而存储器件在空间应 用中容易发生单粒子翻转（SEU：Single Event Upset）,使得存储器件中数据发生改变, 从而导致系统计算结果错误,甚至可能导致系统功能失效。在介绍信息处理系统存储器件SE U机理的基础上,针对DSP信息处理系统存储器的结构特点,提出了一种基于“反熔丝型PROM +TMR加固设计FLASH+EDAC加固设计SRAM”结构的存储器SEU加固设计方案,并进行了原型实 现。实验分析表明该设计具有较好的抗SEU性能和较强的实时性,可以为同类型的空间信息 处理系统设计提供参考。