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。     

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。     

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 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。     

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。     

Xilinx FPGA自主配置管理容错设计研究

针对SRAM型FPGA在空间辐射环境下容易受到单粒子效应影响的问题,在分析可重配置的Xilinx FPGA的结构和故障模式的基础上,提出一种基于自主配置管理的Xilinx FPGA容错设计方案。综合运用诸如逻辑电路三模冗余、块存储器EDAC校验、动态回读、动态局部重配置及周期全局重配置等方法实现故障的屏蔽、检测和修复。该方案覆盖了FPGA的各种单粒子效应故障模式,并且在芯片内部实现了自主配置管理,具有体积小、成本低、可靠性高的特点。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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...     

视频处理芯片ADV212单粒子翻转影响分析及故障预案

ANALOG DEVICES公司生产的ADV212可以实现JPEG2000静止图像压缩编码的集成运算,由于其为工业级COMS器件,若用在空间领域,属于单粒子效应的影响对象.文章针对此器件的内部结构和特性,具体分析了其在发生单粒子翻转时所受到的影响,并针对不同的错误类型提出对应的解决措施,形成完整的故障预案.     

一种面向卫星应用的新型存储器和FPGA设计与实现

可靠性对在轨卫星的安全意义重大。由于空间环境辐射和单粒子效应,卫星系统多次发生在轨异常,对在轨卫星系统工作的连续性、稳定性和安全性造成了严重影响。文章针对卫星在轨空间环境和单粒子问题,提出一种基于铁电材料的高可靠、抗辐射的CPU和FPGA解决方案。一方面,设计了和通用接口兼容的新型铁电存储器,其抗辐射总剂量大于10000Krads（Si）,对单粒子效应几乎具有完全的免疫能力;另一方面,设计了基于铁电编程单元的新型FPGA,该FPGA不需要外部PROM,具有很好的经济性和应用前景。     

卫星抗辐射加固技术

分析了FY－1C卫星运行轨道空间辐射环境，介绍了整星、单机、器件抗辐射要求。卫星研制过程中，对各单抗和系统在技术设计、元器件设计、软件编制等的抗辐射加固设计要求。特别对有CPU和存储器的单粒子翻转效应（SEU）和闩锁效应（SEL）试验。仪器和系统的软件均用故障注入的方法完成了抗SEU的仿真试验。     

星载电子系统高能质子单粒子翻转率计算

文章对星栽电子系统空间高能质子单粒子翻转率计算方法进行了研究。总结了13种主要计算质子单粒子翻转率的方法,并对各种算法之间的相似性和差异性进行了比对分析。用Visual Basic语言编程,实现了高能质子单粒子翻转率计算模型软件化,为高能质子单粒子效应加固设计和验证评估提供技术依据。计算了几种典型轨道上的质子单粒子翻转率；在此基础上,与在轨观测数值进行比对分析验证,并分析了质子单粒子翻转率与空间轨道的关系。     

星载计算机存储器的滞后检错纠错方法

本文针对在使用新型商用处理器构建航天器容错计算机系统的过程中 ,商用处理器的高速处理能力要求与存储器检错纠错对速度的影响之间的矛盾 ,提出了一种新的存储器校验方式———滞后校验来解决这个矛盾 ,并尝试把这种校验方式和具有多位纠错能力的RS (Reed -Solomon)编码结合起来完成存储器的校验 ,最后本文探讨了这种校验方式所带来的问题 ,并提出解决构想