基于Scrubbing的空间SRAM型FPGA抗单粒子翻转系统设计

基于SRAM工艺的FPGA在空间环境下容易受到单粒子翻转(Single Event Upsets, SEU)的影响而导致信息丢失或功能中断. 在详细讨论三模冗余(Triple Modular Redundancy, TMR)和刷新(Scrubbing)的重要原理及实现细节的基 础上, 实现了一种高可靠性、TMR+Scrubbing+Reload的容错系统设计, 用反熔丝型FPGA对SRAM型FPGA的配置数据进行毫秒级周期刷新, 同时对两个FPGA均做TMR处理. 该容错设计已实际应用于航天器电子系统, 可为高可靠性电子系统设计提供参考.      

可编程逻辑器件在空间电子学设备中的应用

介绍了几种常用于空间电子学设备的可编程逻辑器件 (FPGA), 基于空间环境特点, 分析了可编程逻辑器件在空间电子学设备中应用时需要考虑的特殊问题. 针对空间试验中经常出现的单粒子翻转事件(SEU), 介绍了一种基于冗余(FTMR) 的FPGA设计方法, 并通过实例给出了这种方法对系统性能和设计规模的影响.      

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.     

基于反熔丝FPGA的有限状态机加固设计

在介绍空间辐射和FPGA容错设计的基础上,提出了一种针对反熔丝FPGA有限状态机的联合纠错译码和三模冗余算法的加固设计方法.通过分析和比较可知,此加固设计有利于提高代码的抗单粒子翻转能力,为反熔丝FPGA代码加固设计提供了一种思路.     

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.     

三模冗余MPSOC容错设计与验证

为了提高MPSOC处理器的可靠性,提出了一种基于软件表决和硬件仲裁的三模冗余容错处理器设计方案,并对这种容错设计进行了原型实现和验证,试验结果表明了方案的正确性和有效性.     

微小卫星数据存储器单粒子作用的检测及纠错

因为辐射导致的单粒子翻转效应（SEU）,使得微小卫星星上存储器在太空运行时其内容可能出现小概率错误,这种错误会影响计算机系统的运行和关键数据。文章阐述了“清华一号”微小卫星数据处理系统对SEU的纠错方法,分别介绍了实现（12,8）和（39,32）的汉明码纠错设计和基于FPGA的三模块冗余纠错编码方法,并分析了这些方法的工作原理和过程。     

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FPGA的可变尺寸块运动估计高效结构

针对可变尺寸块运动估计(VBSME,Variable Block-Size Motion Estimation)的硬件结构在现场可编程门阵列(FPGA, Field Programmable Gate Array)上实现时消耗资源多且速度慢的问题,提出了一种面积和速度优化的VBSME硬件结构.其中,绝对差累加和(SAD,Sum of Absolute Differences)的计算采用基于随机存储器(RAM,Random Access Memory)的累加计算方式,比基于寄存器合并的方式节省了面积并增加了速度;通过采用脉动比较链而非总线结构,增强了多个SAD值的比较能力,并能高效地实现对部分差排除算法(PDE,Partial Difference Elimination)的支持.基于Virtex-II型FPGA器件,本结构消耗了2261个slice,时钟频率达到164MHz,在搜索窗口为16×16时可实时处理标清格式的视频.与同类设计相比,设计的面积可减少77%,速度增加218%,FPGA的硬件效率显著提升.     

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。      

临近空间大气中子诱发电子器件单粒子翻转模拟研究

根据重离子试验数据, 采用长方体(RPP)模型, 用GEANT4软件工具包编程, 建立了垂直于器件表面入射的中子诱发电子器件的单粒子翻转模型. 考虑敏感体积及其附近的次级粒子对单粒子翻转的贡献, 统计了次级粒子在敏感体积内沉积能量的微分能谱分布, 对在敏感体积内沉积不同能量的次级粒子对单粒子翻转的贡献进行了区分计算, 模拟计算结果与地面试验结果符合较好.      

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.      

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。     

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.     

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.     

质子单粒子翻转截面计算方法

在分析质子与硅反应的基础上,建立了质子单粒子翻转截面理论计算模型,提出了模拟计算方法。计算得到了不同能量的高能质子与硅反应产生的次级粒子种类、截面、能谱和双微分截面。采用Monte Carlo方法模拟质子与硅的反应;应用TRIM程序计算次级粒子的射程;计算得到次级粒子在存储单元的灵敏区内沉积的能量,产生的电荷。通过与临界电荷的比较,判断是否导致单粒子翻转,从而得到单粒子翻转截面。计算得到的单粒子翻转截面与实验数据符合较好。     

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。