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。
     

面向航天应用的高可靠性FPGA动态局部重构

在航天应用中,FPGA的单粒子翻转是影响航天器功能和寿命的重要因素,目前,部分航天产品使用定时重加载的方式避免单粒子效应的积累和影响,但是重加载的过程会导致全部FPGA逻辑中断,极大影响航天器功能的持续性。因此,文章提出了一种适用于航天的FPGA动态局部重配置系统,在阐述了FPGA动态局部重配置技术的原理和航天应用前景后,详细说明了其设计流程、硬件电路板架构和控制软件框图。通过板级试验验证了系统功能,采用示波器对结果进行了测试,证明该系统设计的高可靠性。FPGA动态局部重配置技术,既提高了FPGA的可靠性,又保证了FPGA部分关键功能的持续性。     

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。     

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。     

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。
     

FPGA运算单元单粒子错误的Berger/余数联合结果校验法

针对空间环境中FPGA局部功能运行的重要运算模块受到单粒子效应的威胁,提出了Berger/余数联合结果校验法的加固设计方法。通过分析指出,由于Berger结果校验所需的进位链在FPGA中不易获取,加法、减法、乘法运算的正确性利用余数校验法检测,其它运算结构利用Berger结果校验法检测。给出了联合结果校验法的思路和逻辑实现方法,并分析了该方法对FPGA资源和速度性能的影响。单粒子故障仿真注入实验结果表明:对于VirtexII系列FPGA运算单元的单粒子效应故障,Berger/余数联合结果校验法的单粒子效应故障检测概率达到99.8%,引入的资源增加为10～40个SLICES,运算速度降至50～100MHz。     

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。     

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。     

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。     

星载测控应答机抗辐射加固与可靠性平台研究

从应用的角度,研究SDRAM型FPGA和高性能DSP在空间环境中的单粒子效应故障检测与加固设计问题,为低等级高性能VLS-DSPD的空间应用提供理论和试验上的支持。并介绍一种通用的星载信号处理平台体系结构,结合平台结构的可重构特性和高性能器件抗单粒子效应设计中的检错、容错、自主修复等加固设计方法,提高整个测控应答机的可靠性。     

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...     

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。     

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。     

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。     

航天器遥控FPGA片上容错设计技术研究

结合深空探测项目研制任务研究遥控数据接收处理电路FPGA片上容错设计技术。在研究航天器遥控数据接收处理电路数据模型的基础上,提出遥控数据接收处理电路FPGA片上小粒度自主备份容错设计方法;应用此新方法进行遥控指令通道FPGA设计优化;针对FPGA缺陷成团性,进行遥控指令通道FPGA布局优化,最终设计出能够自主容错,容错能力更强,可以应对缺陷成团性影响的新一代遥控指令通道FPGA。这一FPGA的实现,验证了文中提出的新方法,也为未来深空探测项目、微小卫星等提供新的遥控产品。     

基于反熔丝型FPGA的有效载荷可重构技术

针对在轨卫星功能维护、扩展和更新的需求，设计一种星载FPGA可重构方法。通过硬件三模冗余、软件三模比对，提高星载信号处理FPGA配置的可靠性；通过地面向卫星配置FPGA发送擦除、写、读指令，实现星载配置数据存储FLASH芯片的擦除、写、读操作，从而实现星载信号处理FPGA的重构，进而可以实现有效载荷功能的在轨更新或升级，减少硬件重复开发，降低成本。     

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。     

基于SRAM的FPGA片上容错技术

针对基于SRAM的FPGA的结构特点，对三模冗余进行了改进，提高了可靠性。提出了一种有多个重构模块可以容忍多个故障的局部重构方法，阐述了其实现方法，并做了性能分析，运用此方法设计了自主研发项目中的遥测、遥控电路，并在美国Xilinx公司的Virtex系列FP-GA上演示了其实施过程。     

单板双机嵌入式486容错子系统的设计

针对空间辐射环境中比较容易发生的单粒子翻转事件 ,提出一种低成本的商用器件解决方案———单板双机嵌入式容错子系统。该子系统把两个相对独立的嵌入式 4 86单机通过现场可编程门阵列 (FPGA)耦合起来 ,双机通信和数据比对都通过FPGA来完成 ,同时通过数据比对发现和消除单粒子翻转 (SEU)所引起的错误。由于系统中应用了较多超大规模集成电路 ,系统非常紧凑 ,用单板就实现了一个容错子系统