基于SRAM型FPGA抗单粒子措施研究

文章分析了空间辐射效应对SRAM型FPGA的影响,介绍了几种可行的空间抗单粒子的措施,比较了对于不同应用情况下几种缓解措施的优劣,对于SRAM型FPGA在空间辐射环境下的使用具有参考意义。     

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。     

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)。     

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。     

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。
     

一种FPGA在轨重构配置数据压缩算法

对现场可编程门阵列(FPGA)在轨重构配置文件压缩,可以大大减少遥控上注时间。为此,文章利用FPGA配置文件中0值较多的特点,结合游程编码(RLC)及字典编码的优势,提出一种FPGA在轨重构配置数据压缩算法,即结合零游程(Zeros Run Length,ZRL)编码的VLZW压缩算法(简称为ZRL-VLZW算法)。为减小航天器载计算机内存开销,使用索引迭代方式存储字典并限制字典长度。采用航天器常用FPGA多种资源占用比的配置文件,利用ZRL-VLZW、LZW和VLZW算法进行压缩测试比较。结果表明:ZRL-VLZW算法性能优于LZW算法和VLZW算法,可有效进行配置文件的压缩,使在轨重构注入数据上注时间减少为原来的1/20~1/3。     

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。     

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。     

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。     

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。     

星载FPGA内时序电路设计与时钟控制技术分析

在分析星载FPGA内时序电路特性以及FPGA可编程资源特性的基础上,指出了FPGA内同步时序电路出现时钟偏斜现象的机理。针对时钟偏斜,提出了星载FPGA内时序电路的设计准则。基于设计准则,提出了并行移位寄存器的一种异步化设计方法,阐述了在FPGA源代码中设置设计约束,或在逻辑综合与布局布线过程中联合设置设计约束,将主要同步时序电路时钟信号布置在全局时钟网络上的方法。工程实践表明：上述方法很好地解决了星载FPGA内同步时序电路时钟偏斜问题,可确保星载FPGA工作的稳定性与可靠性。