一种星载信号处理机中FPGA防单粒子翻转加固方法

引言随着卫星技术的不断发展，卫星的功能越来越复杂。

卫星的功能离不开FPGA 技术的支持。

然而，卫星运转的环境非常苛刻，容易受到辐射颗粒的影响，进而导致单粒子翻转（Single Event Upset ，SEU）现象的发生。

针对这一问题，本文提出采用SRAM 型FPGA 抗单粒子翻转可靠性设计的方法，以提高卫星的可靠性。

FPGA 的原理FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种采用可编程门电路实现的集成电路。

通过FPGA，开发人员可以自由编程，将其变为自行制定的特定电路或处理器。

若干个可编程逻辑单元（Programmable Logic Block ，PLB）、一些时钟管理模块、存储器、和输入/输出模块等构成了FPGA 的架构。

各种模块间的连接通过可编程的路由器实现。

FPGA 的可编程性是其最大的特点之一，这一特性使FPGA 比前面的ASIC （Application Specific Integrated Circuit）更加灵活。

FPGA 的SEU 问题FPGA 在卫星中的应用已经变得非常广泛。

然而，卫星在轨运行的环境却非常恶劣，包括极端的温度、空气和重力等，其中最大的问题是粒子辐射。

在高能脉冲射线的辐射下，晶体管容易发生单粒子翻转，即SEU。

单粒子翻转有可能导致电路故障，进而产生错误的计算结果。

这种问题的出现会严重影响卫星的正常运转。

在FPGA 中，存储在SRAM 中的开关逻辑电路众多，这意味着FPGA 中存在着大量的SEU 敏感电路。

一旦发生单粒子翻转，存放在SRAM 中的状态就会被改变，从而导致计算结果的变化。

大多数FPGA 供应商都采用种种技术来加强FPGA 的SEU 抵御能力，而SRAM 型FPGA 对于单粒子翻转的敏感性也较高。

因此，加强SRAM 型FPGA 的抗SEU 能力尤为重要。

SRAM 型FPGA 抗SEU 技术目前，针对SRAM 型FPGA 的抗SEU 技术可以归纳为以下几种。

本技术提供了一种星载收发通信机抗空间单粒子翻转系统，运用于一星载收发通信机的中频处理模块上，主要功能为利用反熔丝FPGA芯片实时刷新SRAM型FPGA内部配置信息，从而在不间断SRAM型FPGA工作的前提下，纠正SRAM型FPGA内部发生的单粒子翻转，是SRAM型FPGA抗空间单粒子翻转的有效措施。

监控FPGA为反熔丝FPGA芯片内烧录的FPGA 程序，其功能模块包括：顶层模块、上电复位信号产生模块、指令脉冲检测模块、计时模块、刷新模块、三选一模块。

反熔丝FPGA外围接口电路芯片包括：SRAM型FPGA、PROM 芯片、看门狗芯片、电平转换器芯片、时钟驱动芯片。

本技术具有一定的通用性，可以广泛应用于具有类似功能的星载收发通信设备上。

权利要求书1.一种星载收发通信机抗空间单粒子翻转系统，其特征在于，包括：反熔丝FPGA芯片，用于实时刷新SRAM型FPGA内部配置信息；监控FPGA，为所述反熔丝FPGA芯片内烧录的FPGA程序，所述FPGA程序采用Verilog硬件描述语言实现。

2.如权利要求1所述的星载收发通信机抗空间单粒子翻转系统，其特征在于，所述监控FPGA 包括：顶层模块，用于描述各子模块间的关系，并将输入时钟进行分频处理；上电复位信号产生模块，用于通过上电复位动作产生复位信号；指令脉冲检测模块，用于检测指令脉冲的宽度；计时模块，用于计时，每0.7秒产生一次启动刷新的信号；刷新模块，用于按照一定时序对SRAM型FPGA进行刷新操作；三选一模块，用于对输出信号进行三选一。

3.如权利要求2所述的星载收发通信机抗空间单粒子翻转系统，其特征在于，所述刷新模块采用三模冗余设计。

4.如权利要求1所述的星载收发通信机抗空间单粒子翻转系统，其特征在于，所述反熔丝FPGA芯片采用Actel公司反熔丝FPGA芯片A54SX32A-CQ84B。

5.如权利要求1所述的星载收发通信机抗空间单粒子翻转系统，其特征在于，所述反熔丝FPGA的外围接口电路芯片包括：SRAM型FPGA、PROM芯片、看门狗芯片、电平转换器芯片、时钟驱动芯片。

一种抗单粒子效应的加固技术研究作者：齐贺飞王磊王鑫王绍权张梦月来源：《现代信息科技》2022年第06期摘要：针对数字波控电路在星载控制电路应用中存在的单粒子翻转效应问题，提出了一种基于DICE单元的双稳态D触发器设计改进，设计了一种能够抵御众多类型单粒子翻转效应的D触发器，并基于该D触发器，结合电路级单粒子加固技术设计了一款串并转换芯片。

测试表明，采用改进D触发器结构的波控芯片能够抵御至少80 MeV的单粒子效应事件。

芯片峰值功耗不大于10 mA，写入速率不低于10 MHz，功耗为1 mW/MHz。

关键词：单粒子效应;抗辐照;三模冗余中图分类号：TN79 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）06-0041-05Research on a Strengthening Technique against Single Event EffectQI Hefei， WANG Lei， WANG Xin， WANG Shaoquan， ZHANG Mengyue（The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shijiazhuang 050051， China）Abstract： In view of the problem of single particle flip effect， which exits in the digital wave control circuit in load control circuit application， this paper puts forward a bistable D trigger design improvement based on DICE unit， designs a D trigger which can resist many types of single particle flip effect. And based on the D trigger， combined with circuit level single particle reinforcementtechnology， it designs a string and conversion chip. Tests show that a wave-control chip with an improved D-trigger structure can resist the Single Event Effect events of 80 MeV at least. The peak power consumption of the chip is not more than 10 mA， the write rate is not less than 10 MHz， and the power consumption is 1 mW/MHz.Keywords： Single Event Effect （SEE）; Radiation resistance; Triple Modular Redundancy0 引言地球周围存在着大量的高能粒子射线，主要分为三大类高能粒子辐射源：银河宇宙射线、太阳宇宙射线以及地球辐射带。

专利名称：一种星载数字信号处理器抗单粒子翻转方法专利类型：发明专利
发明人：吴雪微,江利中,陈占胜,胡鑫,邹波,黄加林,焦美敬申请号：CN202010987369.1
申请日：20200918
公开号：CN112035290A
公开日：
20201204
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种星载数字信号处理器抗单粒子翻转方法，所述方法包含步骤：选取SRAM 中需要刷新的代码段为重点代码段；在芯片嵌入式程序的主函数中加入刷新函数，所述刷新函数用于根据镜像固化在所述ROM内的与所述重点代码段对应的代码刷新SRAM的重点代码段；编译、链接所述嵌入式程序，生成对应的可执行文件，将该可执行文件镜像固化到芯片的ROM中；芯片上电，加载所述可执行文件，所述可执行文件被存入SRAM的所述代码段和所述数据段中；芯片执行所述可执行文件，通过刷新SRAM的重点代码段防止芯片发生单粒子翻转。

本发明基于软件实现的，对芯片原嵌入式程序不产生任何影响，在不更改系统硬件的情况下，实现了抗单粒子翻转。

申请人：上海无线电设备研究所
地址：200233 上海市闵行区中春路1555号
国籍：CN
代理机构：上海元好知识产权代理有限公司
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抗单粒子翻转的加固方法
杨菊瑾;刘义凯
【期刊名称】《微处理机》
【年(卷),期】2013(034)005
【摘要】集成电路受空间粒子辐射容易产生软故障.通过三模冗余、时间冗余和错误检测与纠正等电路结构设计加固方法可对其进行改善,有效增强其抗单粒子翻转的性能,有效防止因辐射产生的软故障.
【总页数】2页(P4-5)
【作者】杨菊瑾;刘义凯
【作者单位】中国电子科技集团公司第四十七研究所,沈阳110032;中国电子科技集团公司第四十七研究所,沈阳110032
【正文语种】中文
【中图分类】TN4
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5.卫星用SRAM型FPGA抗单粒子翻转可靠性设计研究 [J], 严健生;杨柳青因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。