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。
     

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。     

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。     

赛灵思静态随机存储器型FPGA单粒子翻转检测

以XILINX XC2V3000现场可编程门阵列（FPGA）为例,分别通过ICAP和Selectmap接口对配置存储器进行回读检测,并通过局部动态重构的方法实现了故障注入,对单粒翻转（SEU）检测方法进行验证。结果证明回读与重配置是进行FPGA抗SEU设计的有效方法。     

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。     

PWM型电压调节器单粒子效应及加固技术研究

机理分析和地面重离子试验显示,受高能粒子影响,脉宽调制型（Pulse\|Width Modulation,PWM）电压调节器容易产生单粒子瞬态（Single Event Transient,SET）和功能失效。文章分析了可能产生上述异常的原因,提出了一些抗单粒子效应改进设计建议,最后给出了一种基于器件冗余的系统级SEE防护设计方案,在实验室环境下模拟验证了此方案对单粒子效应防护的有效性。该方案可以为有关航天电子设备设计提供参考。
     

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。     

SRAM单粒子效应检测方法研究

采用中国科学院近代物理研究所的回旋加速器HIRFL产生不同LET值的重离子,以模拟空间辐射环境,检测了两种国产SRAM器件抗单粒子翻转和单粒子锁定的能力。试验中采用了两套单粒子效应检测系统,结合试验检测过程和最终结果,讨论了两套检测系统各自的优缺点,总结了试验中需要注意的其他问题。本研究为今后构建其他器件的单粒子效应检测系统提供了参考。     

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。     

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。     

基于FPGA的红外图像运动补偿滤波算法实现

针对运动场景和噪声混叠的红外图像,提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的红外图像运动补偿滤波算法。首先,算法设计采用运动补偿滤波算法,通过帧间相关性和阈值判断等方法,有效实现图像区域检测分类;其次,对分类后的区域选定不同参数的滤波处理,有效抑制噪声,改善图像显示质量;最后,硬件使用流水线结合并行处理的解决方案,能够有效提高图像处理的速度。实验结果表明:基于FPGA的红外图像运动补偿滤波算法设计资源消耗低,将运行优化算法耗时降低到了1 ms内,为红外图像实时处理应用提供了基础。     

基于测试块滚动的FPGA自测试方法研究

为了满足航天应用高可靠性的要求,实现对航天器FPGA生产和使用过程中可能发生的永久故障的及时检测,文章提出了一种基于测试块滚动的FP-GA自测试方法,该方法采用内建自测试的思想,与传统的测试方法相比,可以实现CLB级的故障定位,适用于FPGA芯片的筛选、固化以及在系统运行等各阶段的永久故障检测。     

星上FPGA抗闩锁设计

根据星载电子设备CMOS电路中现场可编程逻辑阵列（FPGA）闩锁的发生机理，提出了输入／输出回路的抗锁定、二次屏蔽防止单粒子触发锁定等遏制闩锁触发条件，以及工作电源限流、闩锁检测与解除等遏制闩锁维持条件的设计，并给出了应用检测电路、板级锁定检测与解除、电流敏感器件检测电流和FPGA闩锁监测等应用实例。     

基于FPGA实现遥测数据解扰分接的设计

为满足高码速率数据流的分接要求，提出了一种由现场可编程逻辑阵列（FPGA）实现遥测数据解扰分接的设计方案。该方案用-XILINX SpartanⅡ XC2S50芯片实现搜索帧同步、数据解扰和数据分接单元，用超高速集成电路硬件描述语言（VHDL）进行编程，可处理码速率768kb／s的数据流。因用单片FPGA实现。减小了电路体积。     

基于低比特量化神经网络的红外目标识别方法及其FPGA实现

红外目标识别系统成为航空航天、无人驾驶等军事和民用领域中一项至关重要的技术。红外目标识别算法是红外目标检测识别系统中的核心之一。传统红外目标识别技术往往依赖人为的特征选择,无法对复杂困难的红外目标实现高效、准确的识别。本文提出了训练中反量化与通道级量化相结合的量化策略,有效减小量化误差对网络模型性能的影响。实验结果表明:本文提出的低比特量化算法在红外数据集上有着优异的表现。在硬件部署方面,本文提出了更加高效的卷积计算单元,提高了硬件资源的利用率,同时也达到了更高的峰值性能。最终,在PYNQ-Z2嵌入式现场可编程门阵列(FPGA)上进行验证,系统在150 MHz的时钟频率下达到了90.6 GOP/s的峰值吞吐率,其功耗为2.5 W。     

星载遥感CCD相机高性能时序发生器的研制

文章介绍了星载遥感CCD相机高性能时序发生器的研制过程。根据TDICCD驱动时序信号的特点,采用先进的EDA工具（包括Libero IDE、Synplify Pro、Modersim等）对时序发生器进行了设计、综合、仿真。研究了反熔丝现场门阵列（Field Programmable Gate Aarray,FPGA）器件自身结构的特点,在自动布局布线的基础上采用人工干预的方法对局部寄存器和逻辑门进行了合理布局布线,优化输出I/O时序,使得驱动CCD的水平转移信号之间偏斜最小,并精确调整了水平转移信号的相位关系,从而提高了CCD模拟信号的精度,使时序发生器达到最佳性能,同时缩短了研制周期、降低了成本。