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。     

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.     

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.      

一种基于FPGA位流回读与重配置的空间硬件容错方法

分析FPGA的配置数据帧格式以及整个器件中配置数据帧的类型和分布,在此基础上给出具体的位流回读故障检测方法和重配置容错方法,最后给出了实现该容错方法的一个实例.论文研究可为星上拟采用基于SRAM的FPGA的各分系统电路容错设计所借鉴.     

SRAM型FPGA的抗SEU方法研究

通过分析静态随机访问存储器(Static Random Access Memorg,SRAM)型现场可编程门阵列(Field Programable Gate Array,FPGA)遭受空间单粒子翻转(SEU)效应的影响,并比较几种常见的抗SEU技术:三模冗余(Triple Module Redwcdancy,TMR)、纠错码(Error Correction Code,ECC)和擦洗(Scrubbing),提出了一种硬件、时间冗余相结合的基于双模块冗余比较的抗SEU设计方法。在FPGA平台上对线性反馈移位寄存器(Linear Feedback Shift Register,LFSR)逻辑进行软件仿真的抗SEU验证实现,将各种容错设计方法实现后获得的实验数据进行分析比较。结果表明,64阶LFSR的抗SEU容错开销与基于硬件的TMR方法相比,可以节省92%的冗余逻辑资源;与基于时间的TMR相比,附加时间延迟缩短26%。     

碳纳米材料辐射效应研究现状

碳纳米管（CNTs）和石墨烯是碳纳米材料中新兴的两种类型，因其优异的电学、热学、机械等性能，是目前航天工程中具有很大应用前景的材料.在复杂的空间环境中，辐射效应对材料的结构和性能具有重要影响，是决定其稳定性和适应性的关键因素之一.本文对碳纳米管和石墨烯材料的电子、离子等辐射效应研究现状进行了讨论分析，对辐射过程中缺陷的产生和类型、辐射在材料制备以及功能化改性修饰方面的应用、辐射对器件性能的影响以及空间适应性进行了分析，简述了以碳纳米材料为基础的复合材料的辐射效应以及辐射缺陷对材料性能影响的作用机制，提出了目前碳纳米管和石墨烯辐射效应研究中仍需要开展的工作，并对其在空间科学中的应用进行了展望.      

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.     

基于FPGA的空间电子部件在轨可修改技术

空间电子产品在地面经过测试和试验后,在轨飞行时仍然会出现无法预料的故障．通过在轨修改基于FPGA的硬件系统,可以提高电子产品的可靠性、安全性和灵活性．采用基于FPGA的在系统编程技术（ISP）,提出在轨可修改技术实施的方案,同时结合具体实例介绍空间电子部件在轨可修改技术实现的方法和途径,并给出空间应用该技术的建议．     

外测系统突发性故障的诊断方法研究

外测系统突发性故障的检测与诊断在航天测控中有十分重要的意义。基于动态测量数据的容错处理技术, 建立了三组实用的过程故障诊断方法： 无须建模的容错平滑器方法; 基于模型拟合的容错辨识方法; 基于状态空间模型的有界影响滤波方法。这些方法既可用于对测控网跟踪质量的事后分析也可用于（准） 实时在线处理。仿真计算结果显示, 这些方法不但能够以１００％ 的准确率检测出脉冲型故障, 还可快速有效地检测出任何形式的关联型故障, 准确率达９８％以上。     

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.     

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.     

基于3D-Winograd的快速卷积算法设计及FPGA实现

近年来，卷积神经网络（CNN）已被计算机视觉任务广泛采用。由于FPGA的高性能、能效和可重新配置性，已被认为是最有前途的CNN硬件加速器，但是受FPGA计算能力、存储资源的限制，基于传统Winograd算法计算三维卷积的FPGA解决方案性能还有提升的空间。首先，研究了适用于三维运算的Winograd算法一维展开过程；然后，通过增加一次性输入特征图和卷积块的维度大小、低比特量化权重和输入数据等方法改善CNN在FPGA上的运行性能。优化思路包括使用移位代替部分除法的方法、分tile方案、二维到三维扩展及低比特量化等4个部分。相对传统的二维Winograd算法，优化算法每个卷积层的时钟周期数减少了7倍左右，相较传统滑窗卷积算法平均每个卷积层减少7倍左右。通过研究，证明了基于一维展开的3D-Winograd算法可以大大减少运算复杂度，并改善在FPGA运行CNN的性能。      

航天应用FPGA配置可靠性研究

航天应用系统必须保证每一单元的安全性及可靠性. 现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA), 以其I/O管脚丰富、设计灵活等优势, 逐渐被广泛应用于航天领域. 其设计与工艺不断完善, 以适应太空中电子辐射等复杂的工作环境. 由于基于SRAM的FPGA芯片断电后程序丢失, 因此每次上电后都需要先从PROM等外部存储器中加载程序才能正常工作. 然而, 并不是每一个芯片的每一次加载配置都能成功完成, FPGA的上电配置结果将直接关系到卫星任务的成败. 研究发现, 诸如环境温度、信号完整性、供电电压、配置时钟速率等因素会影响FPGA的配置过程, 致使出现偶尔的配置失败, 这在航天应用中是绝对不允许的. 针对实际应用的Xilinx公司FPGA芯片, 为提高上电配置可靠性, 提出了一系列设计保障措施, 在FPGA航天应用领域具有一定的参考价值.      

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.      

激光位移传感器高速数据采集与处理系统设计

介绍了基于FPGA和单片机的激光位移传感器高速数据采集与处理系统的工作原理与软硬件设计,该系统采用FPGA作为核心控制器,主要完成A/D转换时钟控制、CCD像点位置提取、数据缓冲异步FIFO三部分功能。单片机负责键控、显示以及系统协调。这种基于FPGA和单片机的同步采集、实时读取采集数据的方案,可以提高系统采集和传输的速度。该硬件电路结构简单、成本低廉、可靠性高、功耗较低,满足了实际应用中的要求。     

一种基于FPGA的图像自动增强算法与实现

图像灰度分布不均匀是影响画质的重要因素，集中表现在对空间场景成像时，图像中存在大量过亮或过暗的区域.同时，算法的实时性和嵌入式平台的可实现性是设计实现空间应用载荷需要着重考虑的问题.针对上述问题，提出一种适合于FPGA实现的图像自动增强算法.算法以分段线性变换方法为基础，采用K均值聚类对视频图像的灰度直方图进行动态的区间划分；构建分段函数系数与直方图之间的定量关系，自动计算线性变换系数；采用高效的并行流水线结构设计，实现了基于FPGA的硬件处理系统.仿真和成像试验结果表明，该FPGA硬件系统实时性好，适应性强，针对不同的场景均取得较好的处理效果，具有广阔的应用前景.