静态随机存储器型可编程门陈列中轨应用可靠性分析

静态随机存储器(SRAM)型可编程门阵列(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(MEO)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、成本之间折中的有效解决方案,SRAM型FPGA能否满足中轨应用的可靠性需求成为关键问题。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.     

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.     

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。     

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.     

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.     

太阳活动区参量与太阳耀斑和太阳质子事件的相关性统计分析

太阳黑子活动区与太阳耀斑和太阳质子事件的发生有紧密的关系.选取活动区特征参量包括太阳黑子群面积,磁分类,McIntosh分类,10 cm射电流量,统计和耀斑发生的产率关系;还统计了太阳活动区的位置,软X射线通量和质子事件的产率关系.对于磁分类,McIntosh分类的每一种分类类型计算了耀斑产率,对黑子群面积和10 cm射电流量和软X射线通量用函数拟合了它们和太阳耀斑和太阳质子事件的产率关系.对活动区位置采用了分段统计质子事件产率的方法.统计结果显示我们选取的活动区特征参量与太阳耀斑和质子事件有较强的相关性.统计结果可作为以后建立太阳耀斑,太阳质子事件预报模型中预报因子的选取的基础.     

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...     

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.     

基于SRIO的FPGA间数据交互系统设计与应用

基于时分长期演进(time division long term evolution,TD-LTE)射频一致性测试系统中数据交互的分析研究,为了很好地满足现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)间的大容量数据交互,设计了一种高速的嵌入式技术串行高速输入输出口(serial rapid IO,SRIO),实现2块FPGA芯片间的互连,保证在TD-LTE系统中上行和下行数据处理的独立性和交互的便捷。基于Xilinx公司的Virtex-6系列XC6VLX475T芯片,给出了SRIO接口的整体性设计方案,经过ModelSim软件仿真,确定适合项目需要的数据交互的格式类型和事务类型,对接口代码进行综合、板级验证、联机调试等,在ChipScope软件上对比分析数据传输的正确性,通过测试模块统计比较发送和接收信号的误比特率,确定了SRIO接口在高速数据传输的稳定性和可靠性,成功验证了SRIO接口在FPGA之间数据的互连互通,并将该方案作为一种新的总线技术应用于TD-LTE射频一致性测试仪系统开发中。     

一种EW接收机信号处理系统的设计与实现方法

设计了一种基于FFT/IFFT、全FPGA实现、环形结构的电子战数字接收机信号处理系统,它由4片FPGA分别实现高速数据传输接口、FFT/IFFT运算及信号的时/频域检测。该系统可完成1~1024 K点的FFT运算及1~64 K点的IFFT运算,可检测出4个同时到达的脉冲雷达信号的脉冲描述字参数。系统中FPGA以分布式、多总线、并行、流水方式工作,当采用256 K点的FFT变换3、2 K点的IFFT变换时,检测出4个信号的典型用时约20 ms。     

基于TMR的FPGA单粒子加固试验探究

设计了一个可对基于静态随机存储器的现场可编程门阵列进行单粒子效应测试的系统.采用三模冗余和定时回读重配的方法对待测器件进行单粒子加固.测试电路为移位寄存器链,定时回读的间隔约为80 ms,测试时钟为10 MHz.在非辐照环境下先进行了单粒子翻转的仿真试验,获得系统基本参数后,在兰州中科院近代物理研究所进行了重离子单粒子效应辐照试验.试验芯片为商用FPGA,辐照试验增加单粒子闩锁监控,观察不同注量率下待测器件的加固效果.分析仿真试验与辐照试验结果,系统可正确实现加固与测试功能,也证明三模冗余技术结合回读重配方法能够提高FPGA芯片的单粒子加固能力.     

Where do flare ribbons stop?

The standard flare model,which was proposed based on observations and magnetohydrodynamic theory,can successfully explain many observational features of solar flares.However,this model is just a framework,with many details awaiting to be filled in, including how reconnection is triggered.In this paper,we address an unanswered question:where do flare ribbons stop?With the data analysis of the 2003 May 29 flare event,we tentatively confirmed our conjecture that flare ribbons finally stop at the intersection of separatrices(or quasi-separatrix layer in a general case)with the solar surface.Once verified,such a conjecture can be used to predict the final size and even the lifetime of solar flares.     

Unsteady magnetic reconnection in non-periodic multiple current sheets

The process of magnetic reconnection in non-periodic three-layer current sheets is studied numerically by using two-dimensional magnetohydrodynamic simulation. The results show that unlike periodic current sheets, it is complex unsteady magnetic reconnection. It may be important for solar flare and corona heating.     

太阳活动峰年和谷年期间黑子群与耀斑的统计分析

基于NOAA/SWPC公布的太阳活动数据,我们选取第24太阳活动峰年附近的12个连续月份(2011年7月至2012年6月)和第23太阳活动周谷年附近的12个连续月份(2005年7月至2006年6月),统计了这两段时间中太阳黑子群和耀斑的活动规律,并根据时间、黑子群分布纬度、寿命和磁场类型等对峰年和谷年进行了详细分析和比较,主要结论如下所述.(1)黑子群数随时间的变化在峰年和谷年均比较随机,峰年期间黑子数比谷年增多1.5倍左右.耀斑爆发与黑子群活动具有良好的相关性,但峰年期间存在某个月份耀斑数很少的现象,而谷年期间存在某个月份耀斑数集中增多的现象.(2)无论峰年还是谷年,δ类型黑子群的耀斑产率(耀斑总数与黑子群总数之比)最大,但β型黑子群产生的耀斑爆发最多.耀斑产率与磁场类型有密切关系,但与其所处太阳活动周中的阶段无关.(3)黑子群和耀斑的纬度分布的南北不对称性,以X级耀斑最为显著.峰年较谷年的耀斑数增加主要集中在C级和M级.(4)耀斑产率同黑子群寿命具有良好的相关性,但黑子群的数目同它们的寿命之间没有明显的规律.     

一种雷达信号侦察处理器的设计与实现

研究一种基于FFT/IFFT、全FPGA实现、环形结构的电子战数字接收机信号处理器.该处理器由4片FPGA分别实现高速数据传输接口、FFT/IFFT运算及信号的时/频域检测,FPGA以分布式、多总线、并行、流水方式工作.可检测最多4个同时到达的脉冲雷达信号的载波频率及脉冲描述字等参数,当采用256 K(1 K=1024)点的FFT变换3、2 K点的IFFT变换时,检测出4个信号的典型用时约20 ms.由一块板卡完成了数据的接收、运算和时频域信号检测等工作.     

应用数据挖掘技术的短期太阳耀斑预报模型

为了进一步探讨太阳耀斑与太阳黑子参量的关系,本文采集了大规模的活动区黑子数据,统计其与耀斑发生的产率关系,应用得到的拟和公式对原始数据计算得到规范化后的数据集.在此基础上使用数据挖掘技术对黑子耀斑数据建立决策树模型和建立分类规则,具体描述了黑子数据和太阳耀斑之间的相关性.最后应用这两种技术对活动区未来48h是否爆发耀斑给出了预报,预报结果具有较高的准确率和较低的虚报率.     

被动雷达导引头中信号处理器的设计

采用DSP（数字信号处理器）＋FPGA（现场可编程逻辑门阵列）＋FLASH组成被动雷达导引头中的信号处理系统，该系统能有效地提高导引头的目标跟踪精度．由于采用了DSP，很好地实现了实时性；又由于采用了FPGA，使得系统集成度高、可靠性好、易于修改、使用灵活，因此具有较强的实用价值和参考价值。     

多路高速互连信息处理系统及其FPGA实现

针对复杂嵌入式计算领域对多通道数据传输的速率和规模需求越来越高,给出了一款基于VPX的多路高速互连信息处理系统的整体原理设计;该系统的核心组件有3片FPGA、1片PPC和1片SRIO,为了实现板内外多路10 Gbps高速信号通信,利用高性能FPGA的大量高速收发器,进行了合理的功能设计、GTH时钟设计和主机端加载设计;最后FPGA板内板间GTH测试表明,该系统很好地实现了板间96路10 Gbps高速数据信号接收、56路10 Gbps高速数据信号发送、12路10 Gbps高速数据光信号发送、板内32路10 Gbps高速数据信号互连;该系统具有高集成度、高带宽、高速率等特点,经实验测试,其性能稳定,具有良好的实践效果。