基于DMR-CED容错方法的多相结构数字下变频SEU防护设计

商用SRAM型FPGA具有低功耗和可重配的特点,可以为空间应用提供更好的性能,但其在空间环境下容易受到单粒子翻转效应(SEU)的影响。三模冗余是一种传统的SEU防护方法,然而应用到多相结构的数字下变频上会占用太多资源。提出一种针对多相结构数字下变频的SEU防护方案,通过双备份冗余(DMR)与并发错误检测(CED)相结合的方法对多相结构的数字下变频进行防护。通过故障注入的方法进行防护性能评估,并对所提方案和三模冗余的结果进行对比,验证方案不仅有效且占用资源较少。     

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。     

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。     

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。     

在SRAM型FPGA中局部重构与配置刷新的兼容方案

SRAM型FPGA开发过程灵活,成本低,并且具有系统局部重构的功能,在航天领域有广泛的应用前景.但该类FPGA对单粒子翻转非常敏感,限制了其在航天领域的应用.配置刷新结合三模冗余的方法能够有效地抑制其单粒子翻转效应的影响,但配置刷新的方法与FPGA的局部重构功能存在资源冲突的问题.提出一种在SRAM型FPGA中同时应用...     

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。
     

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。     

采用SRAM-FPGA星载测控设备抗SEU策略

随着软件无线电技术的发展,SRAM型FPGA在星载测控设备中应用越来越广泛。而太空辐射环境中存在的高能粒子极易使其产生单粒子翻转效应,导致系统运行异常或功能中断。分析传统SRAM型FPGA抗单粒子翻转策略的局限性,在结合测控任务特点的基础上,提出底层刷新与应用层预判重载的综合解决方案,并给出实现方法和流程图。通过高能离子试验和实际在轨应用验证,在确保一定性能的前提下,卫星自主发现故障并恢复至正常的概率在99%以上,能达到较好的抗单粒子翻转效果。     

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。     

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。     

基于FPGA架构的高可靠在轨重构系统设计

航天设备与地面设备相比,制造成本高,对空间环境的适应性要求也高。为了延长航天器寿命,提高其在轨工作的可靠性,需要考虑航天器在空间环境下的可维护性需求。针对航天资产在轨软件实现功能维护的需求,研究空间环境应用背景下的高可靠在轨可重构技术。基于FPGA芯片在航天器领域中应用的广泛性、灵活性及可靠性,设计了一种FPGA架构下的高可靠在轨重构系统。该系统的优势在于充分利用星载设备中普遍使用的“SRAM型FPGA+反熔丝FPGA”的硬件架构,在实现SRAM型FPGA动态刷新功能的基础上仅通过软件更改来增加在轨重构功能,极大降低了硬件更改的成本,扩展了可重构功能的应用范围。在某航天器星载设备中应用该在轨重构系统,通过实际飞行经历,验证了该架构系统设计方案的可行性、可扩展性及可靠性。     

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。     

SRAM的SEU效应及加固技术三维数值模拟

利用TCAD软件,构建了特征尺寸为0.18μm的三维器件模型,采用器件与电路联合仿真的方法,对重离子在静态随机存储器(SRAM)中引起的单粒子翻转(SEU)效应进行了模拟,分析了SRAM单粒子翻转的机理。仿真了各种阻值的反馈电阻对SRAM抗SEU的效果,确定了SRAM单元抗SEU反馈电阻的阻值。仿真结果表明,搭建的仿真平台可为加固型SRAM电路的研制提供仿真平台和设计依据。     

SRAM型FPGA单粒子效应测试方法及试验验证

针对空间用SRAM型FPGA器件抗单粒子效应性能全面测试评估的要求,研究内部不同资源电路结构的单粒子效应敏感性及测试方法,利用重离子加速器开展抗辐射加固SRAM型FPGA单粒子效应模拟辐照试验,对配置存储器、块存储器、触发器等敏感单元的单粒子翻转、单粒子功能中断、单粒子锁定特性进行研究。试验结果表明,所提出测试方法能有效地覆盖测试SRAM型FPGA单粒子效应敏感资源,所测试抗辐射加固SRAM型FPGA器件具有良好的抗单粒子锁定性能,但对单粒子翻转和单粒子功能中断非常敏感,静态测试模式下对单粒子翻转更为敏感。有关测试方法和结果可以为SRAM型FPGA的单粒子效应评估及防护提供参考。     

Xilinx SRAM型FPGA抗辐射设计技术研究

针对Xilinx SRAM型FPGA在空间应用中的可行性，分析了Xilinx SRAM型FPGA的结构，以及空间辐射效应对这种结构FPGA的影响，指出SRAM型的FPGA随着工艺水平的提高、器件规模的增大和核电压的降低，抗总剂量效应不断提高，抵抗单粒子效应，尤其是单粒子翻转和单粒子瞬态脉冲的能力降低。分析了FPGA综合后常见的Half-latch在辐射环境中的影响并结合实际工程实践给出了解决上述问题的一些有用办法和注意事项，如，冗余设计、同步设计、算术逻辑运算结果校验、白检等。最后还提出一种基于COTS器件的“由顶到底”的星载信号处理平台结构，分析了这种结构在抵抗辐射效应时的优势。有关FPGA抗辐射的可靠性设计方法已经在某卫星通信载道中成功应用，并通过了各种卫星环境试验，该技术可以为有关航天电子设备设计提供参考。     

一种XILINX7系列FPGA的抗单粒子翻转加固技术

为解决XILINX公司7系列FPGA受SEU (单粒子翻转)的影响,采用一种基于软件错误缓解IP核(SEM IP)的新型回读刷新技术,使用SEM IP的故障注入方法并进行故障注入实验及单粒子实验。实验证明,该技术可在FPGA配置位流数据结构未知的情况下,以帧为单位对XILINX 7系列FPGA的配置位流进行比对及纠错,从而实现抗SEU加固。     

SRAM型FPGA的单粒子效应及TMR设计加固

宇宙空间中存在多种高能粒子,其辐射效应会严重威胁航天器中现场可编程门阵列（FieldProgrammable Gate Array,FPGA）器件工作的可靠性。文章研究了静态随机存储器型（Static Random AccessMemory,SRAM）FPGA中的单粒子翻转效应。理论计算表明,采用三模冗余（Triple Module Redundancy,TMR）设计方法可以有效缓解FPGA中的单粒子翻转问题。针对传统TMR设计方法的不足,提出了一种改进的TMR设计架构,并将该架构应用于某星载关键控制电路的设计中。文中的研究成果对SRAM型FPGA的空间应用有一定参考作用。     

基于130nm 工艺嵌入式SRAM 单粒子软错误加固技术研究

在空间环境中,嵌入式SRAM 易受高能粒子的作用发生单粒子软错误,针对这一现象,文章研究了深亚微米工艺下嵌入式SRAM 的单粒子软错误加固技术,提出了版图级、电路级与系统级加固技术相结合的SRAM 加固方法以实现减小硬件开销、提高抗单粒子软错误的能力。并基于该方法设计了电路级与TMR(三模冗余)系统级加固相结合、电路级与EDAC(纠检错码)系统级加固相结合和只做电路级加固的3 种测试芯片。在兰州近物所使用Kr 粒子对所设计的测试芯片进行单粒子软错误实验,实验结果表明,系统级加固的SRAM 抗单粒子软错误能力与写入频率有关,其中当SRAM 的写入频率小于0. 1s 时,较只做电路级加固的芯片,系统级和电路级加固相结合的SRAM 可实现翻转bit 数降低2 个数量级,从而大大优化了SRAM 抗单粒子软错误的性能。并根据实验数据量化了加固措施、写频率和SRAM 单粒子翻转截面之间的关系,以指导在抗辐照ASIC(专用集成电路)设计中同时兼顾资源开销和可靠性的SRAM 加固方案的选择。     

BRAM存储器EDAC容错技术可靠性分析

SRAM型FPGA内部高密度BRAM存储模块作为用户存储资源,在空间运行中易受单粒子翻转效应影响,造成用户数据失效,EDAC技术被广泛采用作为其容错手段.对于商用型SRAM - FPGA,编码/解码模块可靠性对EDAC容错技术有效性具有很大影响,因此本文在考虑编码/解码模块可靠性影响情况下,对商用SRAM - FPGA...     

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。