Virtex-5系列SRAM型FPGA单粒子效应重离子辐照试验技术研究

针对SRAM型FPGA在空间辐射环境下易发生单粒子效应,影响星载设备正常工作甚至导致功能中断的问题,开展了SRAM型FPGA单粒子效应地面辐照试验方法研究,提出了配置寄存器和BRAM的单粒子翻转效应测试方法,并以Xilinx公司工业级Virtex-5系列SRAM型FPGA为测试对象,设计了单粒子效应测试系统,开展了重离子辐照试验,获取了配置寄存器、BRAM以及典型用户电路三模冗余前与三模冗余后的单粒子翻转效应试验数据和器件单粒子闩锁试验数据,最后利用在轨预示分析软件针对高轨环境进行了在轨翻转率分析计算,可为该器件的空间应用辐射敏感性分析提供基础数据与加固设计指导。     

基于XC7V690T的在轨抗单粒子翻转系统设计

针对核心工业级SRAM型FPGA芯片XC7V690T抗辐照能力较弱、在轨运行期间存在较高单粒子翻转风险的问题,为了提高XC7V690T在轨抗单粒子翻转的能力及配置文件注数修改的灵活性,设计了一种基于XC7V690T的在轨抗单粒子翻转系统架构。其硬件架构主要由XC7V690T SRAM型FPGA芯片、AX500反熔丝型FPGA芯片以及多片FLASH组成;软件架构主要包括AX500反熔丝型FPGA对XC7V690T进行配置管理及监控管理,对XC7V690T进行在轨重构管理,XC7V690T通过调用内部SEM IP核实现对配置RAM资源的自主监控和维护。在轨实验结果表明,采用工业级SRAM型FPGA芯片XC7V690T的某航天器通信机在轨测试过程中成功进行了SEM纠错,通信机在轨工作正常,通信链路稳定,满足使用要求,表明该系统架构可以有效提升XC7V690T抗单粒子翻转能力,可以为其他SRAM型FPGA抗单粒子翻转设计提供借鉴与参考。     

FPGA中的空间辐射效应及加固技术

介绍空间辐射环境对FPGA造成的各种辐射效应及所需要采取的加固措施。不同类型的FPGA中的辐射机理及加固措施有所不同。在基于反熔丝型FPGA中,其辐射效应主要是介质的绝缘击穿,加固措施主要是增加反熔丝厚度,采用三模冗余等技术。在基于SRAM型FPGA中的辐射效应会造成配置失效,加固措施主要是采用监测电路,当配置发生错误时,通过重新配置来恢复系统。     

基于SRAM型FPGA的实时容错自修复系统设计方法

为提高辐射环境中电子系统的可靠性,提出了一种基于SRAM型FPGA的实时容错自修复系统结构和设计方法。该设计方法采用粗粒度三模冗余结构和细粒度三模冗余结构对系统功能模块进行容错设计;将一种细粒度的故障检测单元嵌入到各冗余模块中对各冗余模块进行故障检测;结合动态部分重构技术可在不影响系统正常工作的前提下实现故障模块的在线修复。该设计结构于Xilinx Virtex誖-6 FPGA中进行了设计实现,实验结果表明系统故障修复时间和可靠性得到显著提高。     

一种基于文件的嵌入式星载软件在轨升级方法

提出了基于文件系统的星载软件在轨维护方法.该方法采用配置数据与程序代码独立存储的方式实现星载信息流实时在轨重构;采用引导软件、启动配置文件和应用软件相结合的方式,实现软件全功能状态下的整体升级及升级异常情况下的版本回退;采用压缩程序映像和加载后打补丁的方式,减少程序更新时的数据上注量.在某星载计算机平台上对该方法进行了试验验证,结果表明,该方法可对星载信息数据流进行在轨重构,软件异常情况下可进行版本自动回退,补丁上注量少,提升了星载软件在轨维护的效率和可靠性.     

FPGA器件在嵌入式系统中的配置方式的探讨

通过说明FPGA的各种配置方式及各种配置文件的使用,重点探讨了在嵌入式系统中使用FPGA的软硬件设计。使用微处理器在线配置FPGA时,需要将存储在Flash中的配置文件,通过微处理器的I/O口存储到FPGA的数据存储器(SRAM)。文中详述了如何利用FPGA的被动串行方式(PS)配置方式,和根据配置时序实现嵌入式系统中FPGA的配置电路和相应的应用软件的过程。     

一种高可靠宇航控制器设计及可靠性评估

将8051、存储器等IP核集成在FPGA内部, 可实现宇航控制器高可靠、小型化的应用需求。但FPGA在空间环境中容易发生单粒子翻转事件(SEU),影响系统正常功能,常采用在FPGA内部进行三模冗余(TMR)设计;针对三模冗余系统无法纠正存储区中发生的SEU故障,提出了一种采用三模冗余架构并对FPGA配置区域进行刷新重载的解决方案,同时采用马尔可夫模型对该设计方案进行了可靠性评估和仿真;结果表明,采用该设计架构的宇航控制器具有较高的可靠性与安全性,可实现飞行器的长期稳定运行。     

长寿命星载NAND Flash自适应坏块管理策略

针对长期在轨运行设备的存储可靠性问题,提出了一种自适应坏块管理策略。首先对星载NAND Flash存储系统建立马尔可夫可靠性模型,其次根据使用情况预估设备产生的坏块数量,并设置数据存储空间的大小;然后根据设备实际在轨坏块数量动态调整数据存储空间,在确保一定时间内有稳定的存储空间的基础上保持较高的空间利用率;最后对自适应坏块管理策略进行了仿真分析。结果表明,在某一写入速率下,该自适应坏块管理策略的空间利用率不低于85%。     

基于SRAM型FPGA的SEU敏感性研究

目前星载信号处理平台中大量使用商用芯片,但商用芯片抗辐射能力较弱,在空间环境下常出现单粒子翻转(Single Event Upset,SEU),从而造成系统功能紊乱,甚至中断。提出以星载信号处理平台中大量使用的SRAM型FPGA为研究对象,采用故障注入的方式研究FPGA中不同硬件资源对于SEU效应的敏感性问题。根据不同资源对SEU效应表现出不同敏感性的结论,可在SRAM型FPGA的抗SEU防护上进行有针对性的设计。     

SRAM型FPGA SEU缓解与验证技术分析

SRAM型FPGA产品在空间应用中易受单粒子翻转(SEU)影响而产生系统失效。分析了FPGA器件SEU的故障模式,并结合工程实践对三模冗余(TMR)技术、纠错编码(EDAC)技术、配置刷新技术三类FPGA单粒子效应缓解措施和基于故障注入的验证手段进行了研究和比较分析,阐述了不同技术的适用范围和优缺点,给从事空间应用系统的设计和测试人员提供参考。     

双模冗余-比较系统与三模冗余系统的性能比较

研究了双模冗余-比较系统和三模冗余系统的工作原理,对各系统的工作状态进行了详细分析。利用马尔可夫过程进行分析,对不同维修率和故障检测覆盖率对系统可靠度和安全度的影响运用MATLAB进行了仿真计算。对比研究表明,如果故障检测覆盖率较高,且维修率大于0.0001时,三模冗余结构优于双模冗余—比较结构,其他情况下,则双模冗余—比较结构优于三模冗余结构。     

双余度核电DEH设计与马尔科夫模型分析

可靠性在核电汽轮机数字电液控制系统(Digital electro-hydraulic control system,DEH)质量中至关重要;从提升系统可靠性的角度出发,分析了核电DEH的工作原理,设计了基于异构处理器的核电DEH系统,给出了 DEH的系统架构、硬件构成及双余度设计方案;基于马尔科夫过程理论建立了双余度核电DEH的可靠度函数模型,结合可靠性框图及双余度系统状态转移图对核电DEH做了失效分类;引入失效率、维修率、共因失效因子与诊断覆盖率等参数,建立了状态转移方程,分析了系统在不同生命周期基于马尔科夫模型的可靠度;通过一个实例检验了双余度核电DEH的可靠性,为工程设计人员提供了指导与参考.     

TRUSS: a reliable, scalable server architecture

Traditional techniques that mainframes use to increase reliability -special hardware or custom software - are incompatible with commodity server requirements. The Total Reliability Using Scalable Servers (TRUSS) architecture, developed at Carnegie Mellon, aims to bring reliability to commodity servers. TRUSS features a distributed shared-memory (DSM) multiprocessor that incorporates computation and memory storage redundancy to detect and recover from any single point of transient or permanent failure. Because its underlying DSM architecture presents the familiar shared-memory programming model, TRUSS requires no changes to existing applications and only minor modifications to the operating system to support error recovery.     

再入飞行器低误码率数字化遥测系统设计

针对再入飞行器遥测领域要求存储系统容量大、误码率低、恶劣环境下可靠回收等特点,以及传统供配电方式存在的地面设备组成多、操作复杂、可靠性低等不足,提出了一种适用于再入飞行器的低误码率数字化遥测系统设计方法。系统采用大容量冗余备份存储设计、基于ECC纠错编码算法的低误码率设计、抗高冲击回收防护设计等关键技术,存储容量提高到32GB,可连续存储9h数据,存储器误码率降低至10-10,实现了高冲击条件下的可靠回收;采用基于1553B总线的数字化供配电技术、在线故障诊断技术等关键技术,简化了地面测试设备及操作,节约研制成本,提高了飞行器智能化和测试性水平。该系统已成功应用于某再入飞行器,通过了地面炮击试验和飞行试验考核,获取到了完整的全程飞行试验数据。     

TS-1．1小卫星星务计算机系统设计

TS－1．1立体测绘小卫星是一颗太阳同步轨道卫星，为了适应其工作寿命的要求，采用两模冗余的方法对小卫星的星务系统和系统通信总线进行了容错设计。通过对系统可靠性的评估，认为星务计算机系统可以满足总体设计的要求。     

Minimizing data redundancy for high reliable cloud storage systems

Cloud storage system provides reliable service to users by widely deploying redundancy schemes in its system – which brings high reliability to the data storage, but inversely introduces significant overhead to the system, consisting of storage cost and energy consumption. The core behind this issue is how to leverage the relationship between data redundancy and data reliability. To optimize both concurrently is apparently difficult. As such, to fix one as a constraint and then to reach another one becomes the consensus. We aim in the paper to pursue a storage allocation scheme that minimizes the data redundancy while achieving a given (high) data reliability. For this purpose, we have provided a novel model based on generating function. With this model, we have proposed a practical and efficient storage allocation scheme, which is proved to be able to minimize the data redundancy. We analytically demonstrate that the suggested solution brings several advantages, in particular the reduction of the search space and the acceleration to the computation. We also assess the improvement on the savings of data redundancy experimentally by adopting availability traces collected from real world – which encouragingly shows that the reduction of data redundancy by our solution can reach up to more than 30% as compared to the heuristic method recently proposed in the research community.     

Evaluation of process controller fault tolerance using simulation

The paper presents a study of several alternatives of a fault-tolerant process controller design. We compare controller architectures based on different amount of hardware redundancy with those using time redundancy. The system behaviour is evaluated by means of a process-oriented simulation model enabling software injection of faults. As an overall measure of controller design quality (which includes both performance and reliability) we use the numerical error of the output. The results obtained on the model are used to show the dependence of the output error upon the relative speed of computation and upon the rate of faults damaging the data. Thus for every set of parameters, a system configuration which gives the best results, can be determined.     

Solving reliability redundancy allocation problems using an artificial bee colony algorithm

This paper proposed a penalty guided artificial bee colony algorithm (ABC) to solve the reliability redundancy allocation problem (RAP). The redundancy allocation problem involves setting reliability objectives for components or subsystems in order to meet the resource consumption constraint, e.g. the total cost. RAP has been an active area of research for the past four decades. The difficulty that one is confronted with the RAP is the maintenance of feasibility with respect to three nonlinear constraints, namely, cost, weight and volume related constraints. In this paper nonlinearly mixed-integer reliability design problems are investigated where both the number of redundancy components and the corresponding component reliability in each subsystem are to be decided simultaneously so as to maximize the reliability of the system. The reliability design problems have been studied in the literature for decades, usually using mathematical programming or heuristic optimization approaches. To the best of our knowledge the ABC algorithm can search over promising feasible and infeasible regions to find the feasible optimal/near-optimal solution effectively and efficiently; numerical examples indicate that the proposed approach performs well with the reliability redundant allocation design problems considered in this paper and computational results compare favorably with previously-developed algorithms in the literature.     

无线传输中一种基于节能的多位纠错算法

在分析基于循环冗余校验码纠正单比特错误和基于CRC/BCH混合编码方法的基础上,提出了一种多位纠错算法,在一定的信噪比范围内分析了算法的纠错性能和对吞吐量的改善情况,算法降低了传输数据的误码率和误帧率,提高了系统的吞吐量.对纠错算法的能耗进行了分析比较,与ARQ方案,BCH纠错方案的能耗进行了对比,在一定的范围内算法有较高的能量利用率.     

基于数字化平台的柴油机电控系统可靠性计算

为了评估核电厂应急柴油机数字化控制方案替代部分传统继电器控制系统的可行性,对基于数字化专用仪控平台的柴油机电控系统进行了可靠性分析和计算。依据该系统的架构设计,建立了系统可靠性框图模型,并结合可靠性设计和失效率预计数据,采用蒙特卡罗方法计算得到的系统可用性达到99.99%。分析结果表明,冗余设计、故障诊断和维修性设计对系统可用性影响显著。该研究结论为柴油机电控系统的数字化改造提供了可靠性数据参考,并有助于同类系统在设计阶段有效地提升固有可靠性。多种可靠性分析方法从系统架构、功能安全和运行维护方面更准确地描述了电控系统的可用性,为数字化仪控设备的可靠性分析提供了方法借鉴。