Virtex-4系列FPGA纠正单粒子翻转的方法研究

Virtex-4系列FPGA空间应用中易发生单粒子翻转事件,对设备正常功能的完成带来不良影响。文章给出了单粒子翻转的原理。为解决FPGA单粒子翻转问题,结合工程实践对FPGA抗单粒子3种方法进行了分析和比对,提出了“配置存储区回读CRC结果比对”为最优方法,并给出了示例。同时文章也对FPGA回读及擦洗配置命令序列等关键技术进行了研究。     

SRAM型FPGA单粒子效应试验研究

针对军品级SRAM型FPGA的单粒子效应特性,文中采用重离子加速设备,对Xilinx公司Virtex-II系列可重复编程FPGA中一百万门的XQ2V1000进行辐射试验。试验中,被测FPGA单粒子翻转采用了静态与动态两种测试方式。并且通过单粒子功能中断的测试,研究了基于重配置的单粒子效应减缓方法。试验发现被测FPGA对单粒子翻转与功能中断都较为敏感,但是在注入粒子LET值达到42MeV·cm 2/mg时仍然对单粒子锁定免疫。本文对翻转敏感度、测试方法与减缓技术进行了讨论,试验结果说明SRAM型FPGA对单粒子效应比较敏感,利用重配置技术的减缓方法能够有效降低敏感度,实现空间应用。
     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

SOI工艺抗辐照SRAM型FPGA设计与实现

为提升SRAM型FPGA电路块存储器和配置存储器抗单粒子翻转性能，本文提出一种脉冲屏蔽SRAM单元结构。该结构通过在标准的六管单元中加入延迟结构,增大单元对单粒子事件响应时间，实现对粒子入射产生的脉冲电流屏蔽作用。以64k SRAM作为验证电路进行单粒子翻转性能对比，电路的抗单粒子翻转阈值由采用标准六管单元的抗单粒子翻转阈值大于25 MeV·cm 2·mg -1 提升至大于45 MeV·cm 2·mg -1 ，加固单元面积较标准六管单元增大约21.3%。30万门级抗辐照FPGA电路通过脉冲屏蔽单元结合抗辐照SOI工艺实现，其抗辐照指标分别为：抗单粒子翻转阈值大于37.3 MeV·cm 2·mg -1 ，抗单粒子锁定阈值大于99.8 MeV·cm 2·mg -1 ，抗电离总剂量能力大于200 krad(Si)。     

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...     

空间环境下COTS计算机的抗SEU容错体系结构设计

针对空间辐射环境下的单粒子翻转效应,结合COTS器件的特点,介绍了一种空间环境下COTS计算机的嵌入式解决方案,并结合应用的要求给出了抗SEU容错体系结构的设计方案—基于COTS器件的多级容错结构。文章分别从芯片级、模块级和系统级3个容错粒度展现了空间计算机容错体系结构的设计思路,最后还利用了混联模型分析并计算了系统的可靠度指标。     

XQR2V3000 FPGA单粒子翻转率在轨探测研究

通过搭载在某MEO、IGSO轨道卫星上的单粒子探测器对XQR2V3000 FPGA配置存储器进行了在轨单粒子翻转探测。利用一种基于复位计数统计的FPGA配置存储器单粒子翻转的监测方法，并对在2016年太阳活动平静期以及2017年9月6日太阳耀斑爆发期的2颗MEO卫星以及1颗IGSO卫星的XQR2V3000 FPGA配置存储器单粒子翻转次数进行统计，依据卫星轨道根数获得了翻转事件的空间分布。结果表明，在太阳平静期，设备等效铝屏蔽厚度为6 mm的情况下，处于MEO轨道和IGSO轨道的XQR2V3000配置存储器单粒子翻转率分别为 0.513 次/(器件·天)和0.491次/(器件·天)，分别为CREME96模型预测结果的22.4%和16.9%，两种轨道的翻转率相当。在太阳耀斑爆发期间，MEO与IGSO轨道单粒子翻转率分别上升为2.5次/(器件·天)和 5次/(器件·天) ，比平静期高了一个数量级。试验所得的单粒子翻转率可为相同轨道卫星电子设备单粒子翻转率的预示提供有效的参考。     

静态存储器单粒子翻转率预示的在轨验证

SRAM型FPGA配置区的单粒子翻转可能对系统的功能产生严重的影响,因此必须进行针对性的加固措施,而加固的重要依据之一是在轨翻转率结果。文章将地面获得的Hitachi 4Mb SRAM HI628512单粒子翻转率预示结果与搭载在极轨卫星SAC-C等上的飞行试验的结果进行了比较。分析表明基于国内地面试验数据和FOM方法预示的在轨翻转率与国外的在轨监测数据接近,多位翻转的试验结果也得到了在轨试验数据的验证。这些结果表明我国在单粒子翻转的模拟试验技术和在轨翻转率预示方面取得了相当的进展,可以为卫星电子系统抗辐射加固设计提供有力的保障。     

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。