一种用于FPGA的单粒子翻转试验系统设计研究

单粒子翻转(SEU)试验是测试FPGA芯片抗单粒子翻转性能的重要方法.提出了一种用于测试FPGA芯片抗单粒子翻转性能的试验系统;该系统通过比对待测FPGA芯片输出数据序列和正确数据来判断是否发生数据翻转.如果发生数据翻转,则进一步统计翻转次数和翻转性质,从而能够较全面的测试FPGA芯片的抗单粒子翻转性能.运用该试验系统对某款FPGA芯片进行了单粒子翻转试验,测试结果显示该试验系统能够正确评估被测芯片的抗单粒子翻转性能.     

一种用于可编程逻辑的阵列的单粒子翻转试验系统设计研究

单粒子翻转(SEU)试验是测试FPGA芯片抗单粒子翻转性能的重要方法。提出了一种用于测试FPGA芯片抗单粒子翻转性能的试验系统;该系统通过比对待测FPGA芯片输出数据序列和正确数据来判断是否发生数据翻转。如果发生数据翻转,则进一步统计翻转次数和翻转性质,从而能够较全面的测试FPGA芯片的抗单粒子翻转性能。运用该试验系统对某款FPGA芯片进行了单粒子翻转试验,测试结果显示该试验系统能够正确评估被测芯片的抗单粒子翻转性能。     

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.     

核与空间辐射效应模拟试验技术研究

在天然与人为辐射环境中,辐射可能在电子器件中引发瞬时电离、单粒子、位移损伤、总剂量等多种辐射效应,导致器件性能退化、功能异常、故障甚至损毁,是制约电子器件及所属系统长期、稳定、可靠工作的关键.核与空间辐射效应模拟试验技术是抗辐射加固的基础,可用于研究辐射效应机理、检验抗辐射加固方法有效性,是提升电子器件和系统抗辐射能力不可或缺的重要手段.本文从瞬时电离辐射效应模拟试验技术、空间单粒子效应模拟试验技术、位移损伤效应模拟试验技术、总剂量效应模拟试验技术四个方面出发,梳理了辐射效应研究和模拟试验装置现状,结合微电子工艺的发展趋势,分析提炼需要重点关注的科学问题与技术问题,为抗辐射加固技术创新发展提供参考.     

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。     

临近空间单粒子效应的数值模型和电路模拟

针对临近空间单粒子效应进行了数值模型仿真和特征尺寸为0.1 μm的反相器电路的脉冲注入模拟研究。数值仿真结果表明器件临界电荷随着工作电压的降低而减小,敏感横截面随着临界电荷的降低而逐渐增大。临近空间微电子器件的单粒子翻转概率随敏感横截面增大而上升,但其又随临近空间高度的增加而下降。此外,利用SPICE软件脉冲注入模拟观察到了反相器电路的单粒子翻转现象。所得结论有助于深入研究临近空间的单粒子效应并为器件抗辐射加固提供了理论依据。     

数字信号处理器抗辐射设计技术研究

分析了空间辐射效应对高性能数字信号处理器（DSP）的影响,并对单粒子效应引起的DSP故障模式进行了研究,结合工程实践从器件级和系统级两个层次给出了解决数字信号处理器的抗辐射加固设计技术．器件级的加固技术从存储区、控制寄存器、Cache、乘加器等角度给出解决DSP故障的一些有用方法;系统级的抗辐射设计技术则提出一种由高性能DSP和高可靠性的反熔丝FPGA为主要组成部分的“由顶到底”的星载信号处理平台体系结构,并分析了这种结构在提高DSP对抗空间单粒子效应时的优势．文章给出的有关DSP的可靠性设计方法已经在某卫星通信载荷中成功应用,并通过了各种卫星产品要求的环境试验,该抗辐射可靠性设计方法可以为有关航天电子设备的设计提供参考．     

高能中子诱发半导体器件产生单粒子翻转的模拟计算

随着半导体及电子工艺技术的迅速发展,器件向着小尺度、低电压、低电荷、高集成度迈进,大气中子对航空及地面的电子系统造成的单粒子效应越来越显著.本文采用PHITS2.24蒙特卡罗程序及其事件发生器功能,借助于核反应模型与截面数据,验算了描述器件发生单粒子翻转能力的MBGR参数,并采用大气高能中子能谱,对SRAM器件的单粒子翻转率进行了计算与分析.这为我们今后模拟大气中子产生的各类单粒子效应提供了基本方法,也为将来开展相应的辐照实验提供了理论基础.     

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。     

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。     

基于Lab Windows／CVI的EMC自动测试系统

传统的EMC测试采用人工方式,测量效率低,容易发生计算错误。本文介绍了一种EMC自动测试系统,该系统主要由频谱分析仪、GPIB接口卡、计算机、天线等硬件设备组成。系统通过GPIB卡实现对频谱分析仪的远程控制,完成待测件的带宽及场强的自动测量,并根据场强公式计算待测件的功率或与天线的距离。该设计能够满足吝户测试需求,实践证明该系统测试数据可靠,执行效率高。     

带有电池模型参数辨识的电池管理系统在线维护平台的实现

为了能够实时监控电池包状态,并且通过与电池管理系统进行通讯,以实现对电池管理系统的控制、查询及数据回放,本文设计了一种全面监控电池单体状态的电池管理系统在线维护平台,并开发了一种基于Thevenin模型的参数辨识方法,用于定期维护电池,更新电池管理系统参数,以便准确估计电池的荷电状态.实际应用表明,本平台减轻了电池维护人员的工作量,并提高了电池荷电状态估计的准确性.     

基于BIST方法的新型FPGA芯片CLB功能测试方法

新型FPGA普遍使用了6输入查找表以实现可编程逻辑,如Xilinx公司的Virtex 5系列、Ultrascale系列等.由于I/O数量有限,针对这些芯片的CLB功能测试,可选择ILA级联测试法并利用位流回读进行故障定位,但由于CLB存在路径互斥,覆盖所有故障所需配置较多,而位流回读较为缓慢,限制了定位速度.BIST测试法通过直接检测CLB的输出来发现故障,所需配置数量少于ILA级联法,但需要将测试激励传递到所有BUT导致端口负载大,布线存在困难.本文提出了一种将ORA中闲置资源配置为锁存器链,以便传递测试激励的方法.该方法降低了端口负载.同时利用剩余的逻辑资源建立扫描链,大幅加快了故障定位速度.在Xilinx 7系列FPGA上的实验结果表明,与其他文献所用测试方案比较,测试所需配置次数由30次降低到26次,故障定位所需时间在2.4MHz时钟驱动下可达61.35ns.     

一种基于TLP输入的系统级ESD模型分析方法

基于已有的传输线脉冲发生器(TLP)与IEC 61000-4-2应力的等效关系, 提出一种以TLP应力作为输入的系统级模型分析方法。与传统的IEC应力作为系统输入的分析方法相比, 该方法解决了对流入待测器件(DUT)残余能量的计算不够精确的问题, 同时提高了DUT失效预测方面的精准性。通过SPICE仿真, 预测了上述两种应力作为系统输入的DUT失效情况。通过相应的印制电路板(PCB)的实测验证, 进一步说明新提出的方法能够提高系统级失效预测的精准性。     

基于Open Vera的IIC总线接口功能验证平台的搭建

文章讨论了基于Open Vera的功能验证平台的搭建方法,重点研究了如何挖掘Open Vera所支持的各种新技术和新功能,并与传统验证方法所搭建的验证平台进行了性能比较;表明该硬件验证语言的优势,对验证IP(VIP:Verification IP)的编写有一定的借鉴意义。     

小波时频滤波器用于事件关联电位单次提取的研究

从单次脑诱发响应记录中提取有效信息，可以从根本上避免叠加平均法的弊端．在对听觉事件关联电位时－频域特性分析的基础上，结合相关分析方法，设计出了基于多分辨分析的样条小波时频滤波器，用以完成ＥＲＰ单次提取．大量提取实验表明，小波时频滤波器可以有效地从强背景噪声中提取单次ＥＲＰ．     

超高密度计算机硬盘系统磁记录材料的噪音和差错分析

为研究计算机硬盘的信号和噪音 ,建立了硬盘系统读写过程的微磁模拟模型。在写入过程中采用了模拟的三维薄膜磁头 ,在读出过程中用的是巨磁阻 (GMR)磁头。根据模拟的结果 ,分别计算出了 0 ,1信号读出电压的概率密度分布函数 ,得到了硬盘磁记录密度在 15 .5 Mb/mm2 ,31.0Mb/mm2 ,40 .3Mb/m m2 ,46 .5 Mb/mm2 几种不同情况下的数据差错率。结果表明在颗粒大小 a L=13.5 nm时 ,非 0的差错率在密度为 40 .3Mb/mm2时开始出现。本系统中 ,磁道宽 W约为比特长度 B的 5倍 ,当比特长度与颗粒大小之比 B/a L>4时 ,平均差错率很小 ;但当 B/a L<4时 ,平均差错率会急剧上升     

短时能量分析法在断路器机械状态监测中的应用

针对断路器机械特性在线监测中触头关合时刻难以获取的缺点 ,研究了短时能量法在断路器机械振动信号分析中的应用 .通过定量分析指出 ,短时能量法的优点在于有效提高了信噪比 ,可以从现场复杂的噪声环境中提取出振动事件的起始时间 .试验中将该方法应用于ZN12 35型真空断路器的合闸振动信号分析 ,准确得到了空载情况下三相触头的闭合时刻 ,从而计算出不同机械状态下的合闸同期性与合闸时间等状态参数 .在关合单相短路电流的情况下测试了VS1 12型真空断路器的合闸振动信号 ,分析了不同短路电流对振动信号测量及合闸同期性的影响 ,进一步验证了短时能量分析法的有效性和准确性 .试验结果表明 ,在选择合适的窗函数的基础上 ,短时能量分析法的测量精度能达到 0 2ms .     

基于替代模型的单粒子瞬态效应注入

牵引传动控制系统是高速列车的动力关键系统,牵引传动控制单元(TCU)的故障会引发高速列车的动力丧失.电磁辐射环境下的单粒子瞬态效应(SET)是引发TCU故障的主要原因.采用传统物理方法进行的SET测试具有一定的风险和成本,提出一种基于替代模型的SET注入方法.根据双指数模型建立SET注入替代模型,对TCU输出的信号进行SET的注入,解决在系统级虚拟仿真平台上无法对SET进行有效注入的问题,通过试验仿真验证该方法的可行性.为实时故障诊断、隔离和容错技术的研究提供较为真实可靠的故障模拟环境.