SRAM型FPGA中轨应用可靠性分析

SRAM型FPGA在空间应用面临严重的单粒子效应问题,已有的研究大多集中在GEO和LEO轨道。由于中轨卫星的星上大容量信号处理需求日益增长,迫切需要寻求在容量、寿命与可靠性、成本之间折衷的有效解决方案,SRAM型FPGA能否满足中轨应用的可靠性需求成为关键问题。本文基于1/2恒星日回归轨道的中轨应用场景,选取了四款Xilinx FPGA,在日常辐射环境与太阳质子事件相结合的情况下进行了FPGA的可靠性分析,给出了三模冗余与定期刷新容错手段的选取策略,并讨论了对抗太阳质子事件的可行方案。结果表明,即使在最恶劣的辐射环境下,采用三模冗余结合周期刷新的加固手段,商业级FPGA也可达到同宇航级FPGA相当的可靠性水平。     

SRAM型FPGA空间应用的可靠性设计方法

随着工艺特征尺寸逐渐趋近于纳米级,SRAM型FPGA越来越容易受到空间辐射环境的影响而导致系统故障.为了提高SRAM型FPGA在空间环境的可靠性,在对Xilinx系列SRAM型FPGA的单粒子效应故障模式进行分析的基础上,重点介绍了几种抗单粒子翻转方法,并对各种方法的适用范围、使用特点及应用情况等进行了比较分析.结果表明:选用基于SelectMAP接口和用户可自定义的纠检错方式实现对SRAM型FPGA的回读、纠检错和刷新设计;选择动态重配置设计方法实现系统的在线全部和部分重构设计是最为有效的可靠性设计方法.该回读、纠检错、刷新和部分重构设计方法已经在嫦娥五号试验器中得到在轨成功实施与验证.     

软错误缓解动态部分可重构的抗单粒子方案

随着基于静态随机存储器(static random-access memory,SRAM)型现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)广泛应用于航空航天领域,太空辐照环境下FPGA产生单粒子翻转(single event upset, SEU)问题的概率日益提高,从而导致FPGA出现单粒子闩锁现象引起功能紊乱。针对该问题,基于SRAM型FPGA的架构诱发SEU机理分析,对传统三模冗余(triple module redundancy, TMR)的方案进行改进,设计一种逻辑上采用TMR进行备份、系统上采用软错误算法缓解执行,同时采用局部纠错和动态可重构的方法进行抑制的方案。皮秒激光注入试验结果显示,采用所提供方案的FPGA较传统方案试验电流平稳,验证了该方案可以有效对SEU进行抑制。     

辐射易敏SRAM型FPGA在导航卫星中的适用性实验研究

利用兰州重离子加速器提供的86Kr离子束流开展了百万门SRAM型FPGA的单粒子效应实验研究.获得了该器件配置存储器和片内Block RAM的重离子翻转截面,给出了与国外同类实验结果显著差异的原因分析,证实了该器件对单粒子效应的极端敏感性;对三模冗余、动态刷新等容错机制的有效性进行了动态测试,结果表明采用的组合加固措施能显著降低系统的功能错误截面,基本消除了配置存储器额外引入的敏感性,达到了与同类专用集成电路接近的抗辐射水平;结合导航任务特点和实验结果,对SRAM型FPGA在导航卫星上的适用性进行了分析,提出了将加固设计与自主完好性监测相结合的应用思路.     

太阳同步轨道电子与质子对卫星的电离和非电离能损

空间辐射环境是飞行器寿命的主要限制因素之一。由于空间辐射环境的复杂性,以及飞行器在空间活动的轨道和设计寿命的不同,飞行器需要的抗辐射屏蔽的要求也不同。针对太阳同步轨道所处的空间辐射环境(由AE8和AP8提供该轨道的电子和质子能谱),采用Monte Carlo方法的PENELOPE和SHIELD软件包进行了模拟计算,研究了卫星所需的辐射屏蔽。根据模拟结果分析发现:在空间环境研究中,除了电离能损引起的总剂量外,由质子的非电离能损引起的位移损伤的影响不可忽略。质子和二次质子对电离能损、中子对非电离能损的贡献最大。     

基于FPGA的星载UART通讯设计与实现

通用异步收发器(universal asynchronous receiver transmitter,UART)广泛应用在星载仪器单机内部通信。针对复杂的空间电磁环境,电路受宇宙射线、单粒子影响较大的特点,研究了面向空间环境应用的UART电路设计方法。该方法在硬件上,使用抗辐照反熔丝型FPGA和军品级的通信接口芯片,实现UART通讯的总线拓扑连接结构。软件上,使用硬件描述语言完成串口通信协议,结合三模冗余串行TMR、并行TMR技术、数字滤波技术,提高系统的容错能力,提高系统的可靠性。给出了UART收发电路的工作原理、实现框图,并进行了仿真实验,实验结果验证了该方法的有效性。     

一种基于FPGA的低功耗、容错状态机设计方法

针对FPGA(Field Programmable Gate Array)在航空航天领域应用面临的可靠性和功耗问题,提出了一种适于FPGA实现的低功耗、容错有限状态机设计方法.该方法与传统FPGA中实现状态机占用布线资源、查找表、寄存器等资源的思想不同,它将状态机映射到FPGA内嵌块RAM,同时采用两块RAM构成双模冗余结构,通过比较两块RAM输出数据的一致性确定RAM中数据出错的情况,并结合奇偶校验进行检错与纠错.实验结果表明:与经典的三模冗余方法相比,该方法有更低的功耗和更高的可靠性,并能对一位错误实现在线纠错.     

风云二号卫星空间环境监测器

风云二号卫星空间环境监测器由空间高能粒子探测器和太阳X射线探测器两台单机组成, 运行在地球同步轨道高度, 能够提供实时的太阳耀斑监测和质子事件监测. 风云二号空间环境监测器是国内第一套天基太阳质子事件监测警报系统, 在23周太阳活动峰年期间基本监测到所有的质子事件, 并通过分析实时监测的耀斑X射线辐射特征, 多次成功地开展了太阳质子事件警报服务. 风云二号空间环境监测器也是国内第一次进行地球同步高度的空间环境探测, 发现地球同步高度粒子变化的一些基本特征, 包括粒子通量的昼夜周期变化; 在太阳和地磁宁静时, 能量大于1.4 MeV电子通量在10~2×10²/cm²×s×sr之间变化, 能量大于1 MeV的质子通量在6×10²~8×10³/cm²×s×sr之间变化.     

可靠性微处理器设计关键技术研究

从面积开销、性能和可靠性的角度分析比较了检错纠错码(EDAC)、三模冗余(TMR)和控制流检测(CFC)在可靠性微处理器设计中广泛使用的抗单粒子翻转(SEU)效应技术.用VHDL描述并在FPGA上实现EDAC、TMR和CFC.研究结果表明,TMR和EDAC通过保护寄存器或存储器达到高度的容错能力,但是代价较高,适用于可靠性要求较高的恶劣环境.CFC则是可靠性和代价的一个较好的折中,适用于商用可靠性微处理器的设计.     

基于Vxworks的DP 3动力定位 控制系统设计与分析

为了满足深海油气资源开发对动力定位系统可靠性的需求,根据船级社对附加标志为DP 3动力定位系统的规范要求,在Vxworks实时操作系统下设计了三模冗余的动力定位控制系统.基于PC104总线设计了冗余动力定位控制系统的硬件体系结构. 采用软件实现了三模冗余实时控制计算机组的控制解算与容错管理.应用马尔可夫过程对所设计的DP 3级动力定位控制系统进行了可靠性分析,预测了不同的硬件故障参数对DP 3动力定位控制系统可靠性的影响.分析结果表明,所设计的DP 3动力定位控制系统具有较高的可靠性.     

抗软错误SRAM单元设计

随着半导体工艺技术的发展,节点电容和电源电压的减小加剧了软错误对集成电路设计的影响.高能带电粒子入射SRAM单元敏感节点引起的软错误可能通过改变基于SRAM的FPGA的存储单元配置而改变芯片功能.在此类型FPGA芯片内,SRAM单元存放着FPGA的配置数据,因此增强SRAM的抗软错误性能是提升FPGA芯片可靠性的最有效...     

基于统计学习技术的太阳质子事件预报模型

结合太阳耀斑与日冕物质抛射参量作为预报因子建立太阳质子事件预报模型。描述太阳耀斑的三个特征参量包括耀斑峰值流量、持续时间和耀斑维度;太阳质子事件的三个特征参量分别为CME宽度、CME速度和测量位置角度。首先使用信息增益率评价各参量对质子事件发生的重要度,结果表明相比于耀斑峰值流量和持续时间,CME宽度和速度对质子事件发生具有更高的重要性。基于上述参量,应用线性Logistic回归方法建立质子事件预报模型。对模型进行检测并与只选用耀斑参量的预报模型的预报结果进行比较,结果显示采用耀斑结合CME参量的预报模型具有较高的预报准确率和较低的虚报率,尤其对于质子事件发生的报准率提高较多(67.5%上升到90%)。实验结果验证CME参量作为预报因子的有效性。     

一种用于嵌入式软核的动态可重构容错方案

FPGA的应用使得电路设计及实现具有更大的灵活性,但同时由于其结构特性,FPGA也更易受到外界的影响,发生瞬态故障,引起软错误。FPGA动态可重构功能的出现及应用为提高FPGA电路设计可靠性提供了一种解决方案。文章提出了一种针对嵌入式软核的重构容错方案,以三模冗余为基础,通过处理器之间的相互控制方法,在实现快速检错的同时,降低了硬件开销及时间开销。     

应用机器学习方法的太阳质子事件短期预报模型

本文选取三个描述太阳活动区磁场复杂性和非势性的特征物理量纵向磁场最大水平梯度｜△↓-hBz｜m,强梯度中性线长度L,孤立奇点数目η.对这三个参量统计计算后结果作为预报因子,应用支持向量机作为预报方法建立一个基于磁场特征物理量的太阳质子事件短期预报模型,该模型可以预报活动区未来24小时是否爆发太阳质子事件.2002和2003年连续两年的样本检测并和基于传统预报因子的模型进行了比对,结果显示预报模型具有较高的准确率和较低的虚报率,从而验证了太阳光球磁场参量作为太阳质子事件预报因子的有效性.     

三模冗余容错系统管理板

随着嵌入式计算机的应用越来越广,对嵌入式系统的可靠性要求也越来越高,嵌入式可信计算机应运而生。针对可信计算机的功能需求,研究了容错与嵌入式可信计算机的相关概念和技术,提出了三模冗余加单模热备份的3+1混合冗余结构,采用FPGA完成了基于该结构的系统管理板的研究与设计。实验表明:该管理板能够有效地管理系统中的计算模块、电源模块及I/O模块,并实现了表决功能、系统重构、热插拔等多项技术。     

基于三模冗余结构的列车监控记录系统

提出一种新的列车运行监控记录装置系统设计,采用三模冗余的结构提高系统的可靠性.分析了该设计方案的可行性,给出以FPGA为核心构建的设计电路,通过模拟试验得到了良好的仿真效果.     

三值光学处理器三模冗余表决系统设计与实验

计算机处理器的可靠性设计非常重要.设计了三值光学处理器(ternary optical processor, TOP)三模冗余(triple module redundancy, TMR)光电表决系统,针对三值光学处理器运算单元设计了光电表决器,提出了在三值光学处理器上构建表决系统架构的具体步骤.对于一位的三值光学处理器,设计并测试了108个表决实验用例,并对m位的重构运算器的可靠性进行了简要分析.实验结果与可靠性分析表明,针对三值光学处理器进行三模冗余表决的方案,能有效提高系统的可靠性及运行效率.     

卫星高速数传系统多码率融合LDPC编码器设计

针对卫星高速数传系统的高增益、多码率、高可靠性通信编码应用需求,提出了一种低密度奇偶校验(LDPC)码组的低实现复杂度、高速的编码器设计实现方案,通过高效复用不同码率和不同扩展因子的编码硬件资源,并采用低存储和局部三模冗余设计,有效降低了多码率高速LDPC编码器的整体硬件规模并显著提升了编码速率和可靠性。现场可编程门阵列(FPGA)实现结果表明:该方法设计的融合28种码字的航天加固编码器可基于单片Xilinx XC2V3000FPGA芯片实现,最高编码速率可达3.2Gb/s;其触发器、查找表和存储器资源与已有方案相比,分别降低了24.5%、34.4%和11.1%。该编码器设计方案在当前及未来的卫星数传系统中具有较高应用价值。     

基于BP神经网络的太阳质子事件预报模型

为了提高太阳质子事件的预报精度,采用反向传播神经网络(BackPropagation,BP)建立太阳质子事件预报模型。预报模型是三层网络结构,输入层有6个神经元组成,分别对应预报因子的特征值;隐层设置3个神经元;输出层的一个单元对应于活动区是否爆发质子事件。模型选择描述活动区特征的参量作为预报因子。数据实验采用2002年的数据进行模拟预报,结果显示预报模型具有较高的报准率。     

146MHz C型爆发与地磁暴

鉴于地球轨道附近的行星际激波特性取决于太阳爆发事件的持续时间,选取了持续时间大于10分钟的146M_(HZ) C型爆发,分析了它们与地磁暴的相关性质,并探讨了由此予测地磁暴的可能性。结果表明,用这样选择的太阳事件予报地磁暴,跟Stonchoker同时参考H_a耀斑、Ⅳ型射电爆发以及200M(HZ)爆发的予报方案相比,可达到相近的水平。由于选择事件的依据不同,两者所用的统计性质不尽相同。