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.     

电力设备中FPGA单粒子效应研究

FPGA在电力设备中大规模应用后,其长时间运行的可靠性一直受到单粒子效应的影响。宇宙射线中的高能粒子穿过大气层后,会在FPGA芯片中造成单粒子翻转、单粒子锁存等故障。针对以上现象,分析了单粒子效应的形成机理及影响因素,计算了常用FPGA芯片的单粒子翻转故障概率。以需要长时间稳定运行的电力设备为对象,提出了芯片防护、系统防护、逻辑备份、数据校验、硬件检测等缓解方法。结果表明,这些措施可以有效减少FPGA中因单粒子效应而产生的故障。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

某型无人机数据链系统超宽带辐照效应

无人机数据链系统是无人机系统的核心组成部分,为了验证其在超宽带电磁脉冲(UWB)场环境下的安全性及可靠性,在开阔场搭建了UWB电磁脉冲辐射系统。利用UWB电磁脉冲辐射系统对无人机数据链系统进行辐照效应实验。实验结果表明:单次触发的UWB辐射场不会对无人机数据链系统产生干扰;在连续触发条件下,无人机数据链系统会出现失锁现象,此效应与触发频率和辐照场强有关,且辐照场强与触发频率成反比关系。通过分析得知,无人机数据链路系统受UWB电磁脉冲辐射场干扰的能量耦合通道为"后门"耦合。     

支持内嵌IP芯核测试的片上网络路由器技术研究

微系统芯片测试中一个主要问题是对内嵌IP芯核的测试存取。对于基于片上网络的微系统芯片,可复用片上网络测试内嵌IP芯核,提出了支持内嵌IP芯核测试的片上网络路由器结构,分析讨论了测试模式下的无拥塞路由算法,片上网络路由器分析模型以及在片上网络平台上的测试存取链配置方法。使用VHDL硬件描述语言实现了在FPGA芯片中可综合的二维Mesh片上网络,建立了片上网络测试平台,可用于分析被测芯核的测试时间和路由/交换算法。最后,使用测试基准电路集ITC’02中的微系统芯片基准电路d695进行了实验验证。     

基于双DSP和FPGA的行波超声波电动机测控系统

根据对行波超声波电动机(TUSM)测试和高精度控制的要求,设计了基于双DSP和FPGA的超声波电动机高性能测试控制平台.其中控制核心采用了双DSP结构,可以在对行波超声波电动机进行控制的同时,将必要的参数读取出来进行分析和研究;采用现场可编程门阵列(FPGA)的直接数字频率合成(DDS)电路来产生控制开关管导通关断的两相四路高精度PWM波,减轻了DSP的负担.驱动部分采用全桥电路对信号进行功率放大.该系统的优点在于实时性好、精度高、功能完备.最后以直径为60 mm的行波超声波电动机为例,测试分析了驱动频率、电压以及相位差等调节量对电机输出的影响,验证了该系统的性能.     

五相内置式永磁同步电机硬件在环实时仿真平台的实现

针对车用五相永磁电机构建了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的硬件在环(HIL)实时仿真平台.在FPGA中建立采用定点与单精度浮点相结合的电机驱动系统数学模型,构建半实物电机系统;将其与dSPACE控制器连接,组成HIL实时仿真平台.将实时仿真结果与MATLAB/Simulink离线仿真对比,对比结果说明HIL平台不仅能实现对控制器硬件与软件的在线实时测试,而且在仿真精度上更加逼近车用电机的实际工况.     

基于脉冲跳变的空间矢量脉冲宽度调制策略

针对二极管钳位型单相九电平逆变器,分析其工作原理,提取了逆变器工作的有效开关状态。根据伏秒平衡原理和两矢量三段式调制规律,提出了一种基于脉冲跳变的空间矢量脉冲宽度调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)策略。通过分析所有开关周期脉冲的跳变情况,给出了脉冲类型的判断条件,并根据脉冲类型计算起始和终止电压矢量及其作用时间;同时,应用FPGA设计了模块化SVPWM控制系统,并对该控制系统进行了时钟与资源消耗评估。性能分析结果表明,该调制策略计算速度快、资源消耗小。最后,仿真与实验结果验证了所提调制策略的正确性和有效性,而且能够有效地均衡电容电压。     

Reconfigurable architecture of VDF filter for multidimensional data

In this paper, we present a hardware reconfigurable architecture of vector directional filter (VDF) and an experimental validation based on HW/SW implementation context. An FPGA with a Nios II processor combines the benefits of a programmable logic component as well as a microprocessor. VDF is very useful in multidimensional data (such as color images) for noise removal and details preservation. Comparative results between simulations of ANSI‐C and hardware implementation are given. An estimate method of nonlinear function is presented and serves as an approximation for the appropriate hardware implementation on FPGA. Finally, to verify the functionality of the implementation, a validation state using FPGA platform has been performed. This validation demonstrated that our implementation hardware system speeds up the filtering process as well as preserving a high data quality (image quality). Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于RTU平台的永磁同步电机无位置传感器控制算法

传统电机控制中常用的芯片有FPGA、DSP、ARM等,均需要进行手工编程,不仅开发过程复杂,而且调试过程较为繁琐。针对此类情况,半实物仿真平台RTU (Real-time unit)为用户提供了一种在真实硬件上无需手动编程就可以非常有效且快速地开发、优化和测试复杂控制算法的方法。采用RTU试验平台,实现了永磁同步电机(PMSM)模型参考自适应无位置传感器控制系统的开发。在MATLAB/Simulink和RTU平台下对该控制策略进行仿真和试验研究。研究结果证明了该控制方法的正确性以及RTU平台的可行性和有效性。     

基于FPGA的单相有源电力滤波器控制系统设计

针对有源电力滤波器(APF)的控制算法复杂且对实时性和精度要求高,而传统的DSP软件方法实现过程中存在着不能并行运算等问题,提出了一种基于可编程逻辑器件(FPGA)的APF控制系统设计方案。阐述了谐波检测方法及改进后的补偿电流控制方法。以FPGA EP1C12Q240C8为控制器搭建了试验平台。试验结果验证了该控制方法及APF控制系统设计的正确性。     

基于FPGA的飞行校验多模信号采集与处理设计

针对仪表着陆系统(ILS)、甚高频全向信标(VOR)等的飞行校验需求,设计了一种基于FPGA的多模信号采集与处理系统。选用普通导航接收机接收信号,以FPGA作为逻辑和时序控制核心。系统包含了模拟信号调理和A/D转换、无线电系统总线(RSB)接口、ARINC 429总线接口、USB总线接口等的相应软硬件设计,首次在国内提出RSB软硬件实现方案。根据ILS与VOR的信号特点,并且分析了FPGA有限字长的影响,设计了数字滤波器,实现了在FPGA上的校验信号处理。经过验证,设计能够为飞行校验平台提供有效的数据,并且具备较强的可移植性,符合要求。     

一种新颖的矩阵变换器PWM脉冲产生方法

在分析了矩阵变换器双电压合成原理的基础上,针对该控制原理需要产生不规则的PWM脉冲,提出了一种新颖的脉冲间接产生方法。传统的现场可编程大规模门阵列器件(FPGA)根据计算的占空比数据进行三角波调制,在FPGA内部比较产生需要的不规则PWM脉冲,而未使用微处理器本身集成的PWM脉冲发生器,软件编程复杂且整机系统可靠性不高。提出的脉冲间接产生方法利用微处理的PWM脉冲发生器产生6路标准PWM脉冲,将6路标准PWM脉冲按照不同逻辑运算合成得到矩阵变换器所需要的18路脉冲,该方法不仅降低了编程复杂性,而且与系统没有数据交换,提高了系统可靠性。设计了以dSPACE为主控单元的实验平台,通过实验方法验证了所提脉冲间接产生方法的有效性与正确性。