单粒子翻转效应及加固技术的测试研究

针对高能粒子入射半导体材料引发的辐射效应,从实验平台的设计对地面辐射试验进行了研究。通过对单粒子翻转效应的分析,完成评估方式的制定。实验平台通过建立数据采集系统、数据分析系统,同时考察4种SRAM型的FPGA芯片在不同辐射源以及不同强度下对单粒子产生的影响。通过辐照试验,验证了试验方法、试验系统的有效性和可靠性,并掌握了试验数据的处理方法。实验结果表明,在高强度的辐照下,单粒子翻转效应显著增多,需要采取防护措施及时修正,对FPGA芯片的使用以及选型具有参考价值。     

Flash型FPGA单粒子效应测试系统设计

通过分析Flash型FPGA芯片的基本结构和应用需求,设计了针对各个FPGA功能模块的试验方法,并实现了一套单粒子效应测试系统.对Actel ProASIC3系列Flash型FPGA进行单粒子翻转（SEU）、单粒子功能中断（SEFI）以及单粒子闩锁（SEL）等各类单粒子效应进行测试,并验证抗单粒子效应加固技术的有效性.测试系统包含硬件板卡设计、FPGA逻辑设计以及上位机软件设计等过程,并引入了自动测试技术优化测试流程.最终,测试系统能够满足单粒子效应试验的要求.     

SRAM型FPGA抗单粒子翻转技术研究

随着CMOS电路的高速发展以及SRAM型FPGA在航天领域的不断应用,空间辐照的影响,特别是单粒子效应对FPGA的影响尤为显著.为了提高FPGA在空间环境的可靠性,介绍了几种抗单粒子翻转方法,并对其进行了比较分析,实现了SRAM型FPGA抗单粒子翻转的系统设计,采用定时刷新的方法抑制翻转位累加,同时通过故障注入的方式对系统进行了实验测试,结果表明系统设计方法有效可行,既不中断FPGA正常工作,又可以及时纠正翻转位,为SRAM型FPGA在航天领域中应用提供可靠性保障.     

一起继电保护装置单粒子翻转软错误分析及应对措施

微机继电保护装置中大量使用各种芯片及存储器件,器件失效将影响电力系统的稳定运行。结合一起由于单粒子翻转引起的保护装置动作行为,分析了保护装置的动作原因,提出了在微机继电保护装置中存在的单粒子翻转的问题。对单粒子翻转的机制、特点及影响进行分析,并从芯片选型、硬件架构、软件架构等方面提出一整套完善的方案。在继电保护装置设计中应用所提出的方案可有效减少单粒子翻转对继电保护装置的影响,对于继电保护装置和电力系统的稳定安全运行具有重要的意义。     

基于SRAM型FPGA的容错性设计

随着SRAM型FPGA在航天领域中的不断应用,空间环境下单粒子翻转（single event upsets,SEU）问题不断涌现。为了加强航天电子产品在轨的可靠性与安全性,介绍了一种基于Xilinx公司Vertix-II系列FPGA的容错性设计,该设计深入研究了动态刷新（Scrubbing）原理,利用反熔丝型FPGA作为控制器实现了对SRAM型FPGA的配置数据进行ms级的周期刷新,并对2种FPGA加入了三模冗余（triple modular redundancy,TMR）及回读比较重加载方法,设计兼顾了系统重构、冗余处理和故障恢复,效果良好。实验结果表明刷新周期仅为131.2ms,远大于空间单粒子翻转率,能有效地抑制单粒子翻转效应的影响。     

基于故障注入的NOR Flash单粒子效应模拟方法研究

针对目前大容量NOR Flash存储器单粒子效应模拟缺乏具体操作方法的问题,本文提出NOR Flash单粒子翻转、单粒子功能中断、单粒子闭锁三种单粒子效应对应软件故障注入方法,设计适用于大容量器件的板级测试系统并进行功能验证,通过故障注入方法开展单粒子效应模拟实验。NOR Flash存储器单粒子效应测试系统包括FPGA控制逻辑、Flash检测板和上位机软件三部分。结果表明,单粒子翻转、单粒子闭锁和单粒子功能中断三种单粒子效应的软件故障注入方法均通过NOR Flash存储器单粒子效应测试系统得到验证。本文的研究可以为相关单粒子效应模拟提供参考,为分析存储器单粒子效应对电子系统的可靠性影响打下基础。     

民用飞机单粒子翻转问题研究

单粒子翻转(Single Event Upset,SEU)效应是机载复杂电子硬件设计所必须考虑的重要问题,对SEU效应进行了描述,分析了复杂电子设备经常用到的芯片类型(专用集成电路器件、反熔丝FPGA、SRAM型FPGA、Flash型FPGA)及其优缺点,总结了三模冗余、纠错码、擦洗、系统监控这四种常见的SEU减缓技术,对于国内民机机载复杂电子硬件的设计具有参考意义。     

在轨单粒子翻转与太阳活动变化的相关性研究

单粒子翻转(SEU)是空间仪器受辐射环境影响而产生的最常见的故障之一,而太阳活动是影响空间仪器所在的空间辐射环境的重要因素,为了分析太阳活动对空间仪器单粒子翻转的影响,总结了第24太阳活动周期中,2010年3月～2015年4月,来自3个不同低轨道面上的48个在轨仪器的单粒子翻转情况与太阳活动变化的关系.通过统计分析单粒子翻转数量随时间的变化规律以及对单粒子翻转与太阳黑子数量变化的相关性分析,发现单粒子翻转与太阳活动呈负相关,在太阳活跃期,单粒子翻转数变化曲线在延迟一段时间后与太阳黑子数变化曲线有较强的相关性.这一发现对空间仪器单粒子翻转的预测有重要参考价值,通过对太阳活动变化的观测评估预测特定时段内仪器在空间环境中的可靠性,从而通过设计应对的抗辐射加固方案来规避空间辐射风险.     

基于交织编码的抗单粒子翻转加固技术研究

航空电子设备中静态随机存储器型芯片易受环境中高能粒子辐射发生单粒子翻转，造成关键存储数据遗失严重影响飞机安全，当前系统级加固技术存在纠错能力有限，实用性不强的问题。为增强纠错能力同时提高实用性，本文提出构造最优解循环移位交织器联合(21,16)汉明码的加固方法，纠正多种错误图样的连续4 bit及以下翻转，搭建利用单帧重构技术的故障注入平台来替代粒子辐照实验，无损高效的评估加固设计有效性。实验结果表明采用(21,16)汉明码结合最优循环交织器对抗单粒子相邻多位翻转的加固率平均提高了48.54%,增强了SRAM型存储单元抵御单粒子翻转的性能，保证机载电子系统的安全性。     

DC/DC单粒子效应的多通道高速测控系统实现

设计了一种多通道高速数据采集测控系统,用于监测DC/DC电源在单粒子试验中发生的单粒子效应。系统基于PXIe总线构建,采用程控仪器组网方式,数据总线传输速率最高达400 MB/s。对DC/DC器件在中科院近代物理研究所的加速器上进行了单粒子效应试验,并利用本测控系统进行单粒子效应检测,结果表明,系统可有效地检测DC/DC电源的单粒子效应。未来,系统可广泛应用于宇航用国产DC/DC电源的考核工作中,应用前景广阔。     

单粒子烧毁、栅穿效应的电路模拟与测试技术

建立了功率ＭＯＳ器件单粒子烧毁,栅穿效应的等效电路模型,介绍了模型参数提取方法。采用ＰＳＰＩＣＥ电路模拟程序,对单粒子烧毁,栅穿效应机理进行了模拟相分析,建立了Ｃｆ－２５２裂片源模拟空间重离子单粒子烧毁,栅穿效应的测试装置,实验结果表明：本文建立的模拟方法,测试系统和实验方法是可行的和可靠的。     

继电保护装置单粒子效应的测试方法与失效率研究

单粒子效应引发的存储器软错误对微机继电保护具有不可忽略的影响。介绍了? 粒子和高能中子的来源,以及中国部分城市的大气中子通量。讨论了对继电保护装置进行中子辐照试验的方案细节,以及根据实验数据求取现场环境下单粒子失效率的方法。从现有可靠性指标出发,推导得到继电保护装置单粒子效应的可接受失效率。将该指标和辐照试验得出的失效率相比较,可以判断装置是否满足现场运行要求。该方法对评价继电保护装置的单粒子失效率具有一定的参考意义。     

空间电子系统FPGA抗单粒子闩锁设计

宇宙空间中存在高能粒子。这些粒子会导致空间电子系统中FPGA发生闩锁。为了避免FPGA闩锁时发生损坏,采用2个稳压器并联供电,在FPGA完成配置后自行关断1个稳压器。由于FPGA配置期间需要大电流,所以采用2个稳压器并联供电。当配置完成后关断1个稳压器,只由1个稳压器供电。如果FPGA发生闩锁,剩下的1个稳压器将会限流,从而避免FPGA被大电流烧毁。关断电路由电阻和电容组成的延时电路控制稳压器使能端实现。实验结果表明:FPGA配置期间2个稳压器都处于输出使能状态,可以提供3.6 A的电流,FPGA可以成功的配置;FPGA配置结束后,则只有1个稳压器给FPGA供电,把电流限制在0.6 A,从而避免FPGA由于闩锁而损坏。该设计可以使得工业级的FPGA应用于空间电子系统中,降低系统成本。     

控制处理系统抗辐射容错

文中针对解决辐射环境中的单粒子翻转威胁,着重探讨采用硬件冗余的容错设计方法,提高控制处理系统的可靠性.     

适合空间环境应用的多路输出电源设计

空间环境应用的机电设备对电源的可靠性、效率、体积及重量有着苛刻的要求.当前应用的集成电源模块输出电压种类固定且数量较少,往往需要多个电源模块组合使用,这样不仅降低了电源的效率,而且增加了体积和重量,同时由于没有针对太空单粒子锁定事件进行有效的防护设计,有较大的安全隐患.针对空间环境的特殊需求,设计了一款多路输出的电源电路,它由多路DC/DC变换电路、低压差线性调节电路和防止单粒子锁定保护电路组成.实验证明该电源电路具有体积小、集成度高、效率高等优点,并能有效消除单粒子锁定事件的影响.     

基于三层防护的CAN寄存器翻转恢复方法

当星上CAN总线寄存器发生翻转效应时,往往导致星上的电子设备之间通信受阻,甚至导致整条总线的工作异常。目前缺乏有效的手段检测和定位星上的哪个设备CAN总线寄存器发生了翻转,导致在恢复卫星总线时需要对星上设备进行尝试性的断电/加电,为了及时准确恢复CAN总线通信异常,设计了“三层防护”方法,并将寄存器翻转对CAN总线通信造成的影响按时间长短分成了3类,分别是：只影响当前值、短暂影响总线通信和长时间影响总线通信。“三层防护”方法有效解决了在轨CAN总线寄存器发生翻转的问题。通过实验验证该方法为排除卫星CAN寄存器翻转故障提供了创新的技术支持。     

提升纳米复合电介质击穿强度的理论与方法

聚合物复合电介质材料在电工领域有着广泛的应用。在电力设备运行过程中,电介质材料在温度、电(磁)场、机械力以及环境的作用下会发生击穿现象,造成电力设备失效以及由此引起的损失。因此,提升复合电介质的击穿强度一直是电工领域的重要问题。纳米复合电介质代表未来电力设备绝缘的发展方向。该文首先简述聚合物电介质的基本击穿理论,并总结提升纳米复合电介质击穿强度的基本策略及原理。接着,聚焦纳米粒子对电荷产生、输运以及电场分布的作用,总结几种提高纳米复合电介质击穿强度的方法,包括纳米粒子的表面工程、调控纳米粒子的维度和排列、制备多层结构的复合电介质、制备核壳结构纳米粒子复合介质,以及利用金属纳米颗粒的纳米效应。最后,对提升纳米复合电介质击穿强度未来的研究方向进行展望。     

FPGA静电损伤容错系统设计及演化修复能力研究

为探索静电放电对可编程逻辑器件的静电损伤(ESD)效应及其防护方法,选用人体模型,并利用ESS-606AESD模拟器对CycloneⅡFPGA芯片EP2C5Q208进行了ESD注入损伤效应试验。在此基础上,以演化硬件(EHW)技术为核心构建了一个具有自修复特性的强容错电子系统,并对其进行了故障注入试验。结果表明:ESD对FPGA不造成芯片损毁,只对放电管脚及其相关逻辑单元造成损伤,未放电管脚及芯片内部绝大部分逻辑单元功能完好。同时发现,系统演化修复能力与系统故障状况间具有较为明显的规律:(1)随着系统故障量的增大,影响系统演化修复能力的主要因素从演化算法的效率逐步转变为演化修复过程中的故障"避让"概率;(2)系统的演化修复能力与故障数量符合指数衰减规律。     

电力设备的红外诊断方法

电力设备存在缺陷或故障而致使设备温度升高,如是设备长时间高温运行,那么设备的强度、稳定性、导电性和绝缘性能都将受到极大的影响。掌握设备的发热规律及其表面温度场的分布及温升状况,并以此为依据结合设备结构及传导热能的途径,进一步分析各种设备缺陷及故障状态,就能较好地对设备缺陷及故障进行诊断。随着科技的发展,红外诊断法在电力设备缺陷及故障的诊断上具有其他测温技术所不能比拟的优越性。 到目前为止,在电力生产现场运用中,电力设备采用红外诊断缺陷及故障的方法基本上有下列五种方法:     

UART在FPGA上的设计与实现

在基于FPGA芯片的工程实践中,经常需要FPGA与上位机或其他处理器进行通信,为此设计了用于短距离通信的UART接口模块。该模块的程序采用VHDL语言编写,模块的核心发送和接收子模块均采用有限状态机设计,详述了各子模块的设计思路和方法,给出了它们的仿真时序图。综合实现后,将程序下载到FPGA芯片中,运行正确无误。又经长时间发送和接收测试,运行稳定可靠。相对参数固定的设计,该UART的波特率、数据位宽、停止位宽、校验位使能及校验模式选择均可以在线设置,为FPGA与其他设备的通信提供了一种可靠途径,具备较强的实用价值。