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。     

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的可重构容错结构研究

针对SRAM型FPGA,提出了一种基于动态可重构技术的容错设计方法,根据瞬态错误概率的高低来动态控制系统的冗余程度。在错误率低的时候,系统采用双备份比较（DWC）,具有较低的面积开销和功耗;在错误率高的时候,系统切换到三模冗余（TMR）排除单个错误的影响。采用基于代理逻辑（Proxy LUT）和早期获取部分可重构(EAPR)的设计方法,以ISCAS’85 benchmark电路中的大型代表电路为验证模块,叙述了动态可重构的容错结构的实现过程,并重点验证了动态可重构容错设计方法和其它静态容错方法相比,在面积和功耗上的优势,结果表明动态可重构容错结构相比混合容错结构而言,其面积开销和功率消耗较小。     

基于SRAM型FPGA测试技术的研究

随着FPGA集成度和复杂性的增加,测试显得尤为重要.为了保证数字系统工作的稳定性,首先就要保证FPGA芯片的可靠性.从SRAM型FPGA的内部构造入手,对测试生成和测试故障模型关键技术进行了探讨和研究,解决了测试的故障覆盖率和测试速度之间的矛盾;并搭建了软硬件协同测试平台对测试理论进行了验证,该系统为FPGA芯片的稳定...     

基于FPGA的三模冗余UART电路设计

针对在星载复杂空间环境下UART(universal asynchronous receiver/transmitter)电路有可能发生单粒子翻转导致通信失效的问题,研究了基于反熔丝型FPGA的三模冗余UART电路设计方法.根据UART异步串行收发电路的功能特点,提出了采用反熔丝型的FPGA,将电路的核心功能嵌入到FP...     

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。     

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。     

异构三重冗余控制系统的设计与可靠性评估

针对传统的PLC三重冗余系统存在的共因失效问题,提出了一种异构的PLC三重冗余容错方案。系统采用OMRONCS1D、SIEMENSS7-400和ROCKWELLControllogix三个不同的PLC构成主处理器的三重化冗余,对输入、输出模块也进行了异构的冗余化设计。利用表决和表决自适应机制对冗余数据进行处理,并设计了一套适用于异构冗余的软硬件结合的检测机制。在考虑共因失效的条件下建立了系统的马尔科夫可靠性模型,利用MATLAB对其进行了可用度和可靠度仿真。仿真结果证实了异构冗余的方案能有效提高三重冗余系统的可靠性。     

基于数据验证的诊断技术在FPGA中的应用

文章采用了基于数据验证的诊断技术来提高FPGA（现场可编程门阵列）的可靠性。利用单片机的硬件和软件的高可靠性，对FPGA中各个功能单元的输入端口、内部状态和输出端口进行数据扫描，在单片机中对这些数据进行验证。在验证数据出错的情况下，启动动态重配置程序，使功能单元重新恢复正常运行状态，提高了系统的的可靠性。     

高压直流输电控制保护多重化分析

介绍了高压直流输电控制保护双重化及三重化的概念及实现原理,列举了当前运行直流系统中单元件故障出口可能导致闭锁的保护.针对保护双重化配置和传感器等单元件的配置情况,对比了ABB公司和南瑞公司为防止因单元件故障导致闭锁采取的解决方案.还对3起因测量装置或传感器没有完全双重化而造成停运的事故进行了分析,并介绍了高岭换流站三重化保护存在的问题及解决方案.对直流输电现存的双重化方面的缺陷给出了建议,提出了从根本上解决一套系统维修、另一套系统异常时导致跳闸等问题的方法就是信号接点和控制保护全部三重化.选用"三取二"逻辑的保护设备时,应选用具有3个及以上通道的一次设备,避免单个元件或板卡故障引发直流闭锁.     

一种三重化冗余危急跳闸系统设计与实现

为提高汽轮机组危急跳闸系统（ETS）的可靠性,给出了一种三重化冗余（TMR）结构的ETS控制系统设计。系统的信号输入、总线传输、决策、输出环节均采用独立无耦合的TMR结构设计,同时,各环节模块具有自测试诊断功能和支持在线更换模块功能。采用主机参数同步策略保证系统响应的实时性和准确性,采用可预设的表决策略和模块自检故障表参与决策以提高系统可靠性。通过可靠性分析以及现场调试运行,验证了系统的可靠性及稳定性。     

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.     

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。     

模块化多电平换流器的子模块冗余配置计算方法

模块化多电平换流器(MMC)的子模块(SM)冗余配置问题是MMC工程应用急需解决的难点之一。文中对MMC及其SM结构进行了阐述,分析了SM和MMC的可靠性,提出了一种有效的MMC的SM冗余配置计算方法,并提供了SM的2个工程冗余参考值。当MMC的SM冗余配置数量在这2个冗余参考值之间时,冗余SM的增加能够使MMC的可靠性更快增加,在此基础上定义了冗余和可靠性指标,用其可以衡量不同MMC的冗余SM的可靠性效率。最后,通过工程实例计算证明了所提出的MMC的SM冗余配置计算方法和所定义指标的合理性和有效性。     

模块化多电平换流器模块冗余优化配置方法

针对模块化多电平换流器(MMC)提出一种模块冗余优化配置方法,该方法主要是从提高系统可靠性和冗余子模块有效利用率以及减少冗余子模块数量这3个目标出发,建立多目标优化函数,进而求解得到最优冗余子模块数量。分析了MMC的拓扑结构及其子模块的工作原理,在研究模块冗余保护方案的基础上,详细给出模块冗余优化配置方法的具体步骤,并将其应用到工程实际中进行分析。仿真结果表明该方法可简单、有效地配置冗余子模块数量,在保证系统可靠运行的情况下,节约成本,验证了该方法的有效性和可行性。     

复杂电磁环境中高可靠性TMR-EHW电机控制电路设计

现代战场电磁环境日趋复杂、恶劣,导致大量电子装备受扰、损伤,其可靠性受到严重影响。为了进一步提高电子装备的可靠性,以无刷直流电机系统作为工程背景,将三模块冗余容错机制、多层前馈神经网络结构、演化硬件技术3者有机结合,实现了基于现场可编程门阵列(FPGA)的三模块冗余-演化硬件(TMR-EHW)无刷直流电机控制电路。通过实验证明:将TMR机制引入FPGA电机控制系统之中,可实现功能模块的故障自诊断,以容错运行方式保持系统正常输出,有效提高系统的可靠性;利用多层前馈神经网络结构组织FPGA中的电路资源,通过演化硬件技术实现故障后的功能自恢复。对TMR-EHW系统进行了可靠性分析,推导出该系统的可靠度计算公式。将TMR-EHW系统与单模块系统、普通TMR系统的可靠度进行了横向对比,结果表明TMR-EHW系统具有更高的可靠性和更强的适应性,证明了TMR-EHW技术的可行性与有效性。TMR-EHW电机控制电路系统能够适应并稳定工作于以较为复杂、多变的恶劣电磁环境。