一种星载信号处理机中FPGA防单粒子翻转加固方法

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1、62航天电子对抗第31卷第3期一种星载信号处理机中FPGA防单粒子翻转加固方法陈贺贤，尹庆军，陈培群，尤明懿(中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴314033)摘要：单粒子翻转(SEU)是目前影响航天电子设备可靠运行的重大威胁之一。特别是在过去的十年里，随着以FPGA为代表的大规模可编程集成电路在航天电子设备中的广泛应用，如何对星载信号处理机进行抗SEU加固已经成为迫切需要解决的问题。因此，介绍一种星载信号处理机中FPGA防SEU的加固方法。关键词：单粒子翻转；反熔丝FPGA；三模冗余；实时刷新中图分类号：TN97文献标识码：AAnantifuseFPGAb

2、asedmethodfOrsingleeventupsetofspacebrOnesignalprocessOrmissilesChenHexian，YinQin函un，ChenPeiqun，YouMingyi(No．36ResearchInstituteofCETC，Jiaxing314033，Zhejiang，China)Abstract：SEUisanimportantthreatforspaceelectronicsystems．Inthepast10years，FPGAhasbeenwidelyappliedinspacebroneelectronicsy

3、stems．TheproblemofSEUwhicheffectsmitigationinspacebronesignalprocessorsbecomesac“ticalconcern．AmethodforSEUeffectmitigationofFPGAinspacebronesignalprocessorisproposed．Keywords：SEU；antifuseFPGA；TMR；scrubbing0引言由于具有资源密度高、时钟资源丰富、可重构等特有优势，Xilinx公司的SRAM型FPGA在星载信号处理机中取得了不可替代的地位，长期以来都是实现功能算法的

4、首选器件。然而，SRAM型FPGA在空间辐射环境下有个严重的缺陷：易受SEU效应的影响。国外对于SRAM型FPGA抗SEU防护的研究已经比较成熟。目前国外对FPGA进行SEU的防护主要有下面几种措施：冗余设计(硬件TMR备份、软件TMR)、编解码容错设计(主要有EDAC纠错校验)、运行程序刷新设计(复位重启、scrubbing)[1]。由于相关技术上的封锁，国内在这方面的研究还处于探索研究阶段。目前国内在处理FPGASEU问题上大多采用复位或重新配置等方法。这些方法的思路是在FPGA发生SEU后采取复位重启的机制来进行补救。采取这种方法必然会使系统的任务功能中断且数

5、据也收稿日期：2015一02—15；2015—03—13修回。作者简介：陈贺贤(1982一)，男，工程师，硕士，主要研究方向为卫星有效载荷FPGA设计研究。往往出错。因此，提出一种既能提高单机可靠性又对任务功能不产生影响的措施非常必要。本文在借鉴国内外优秀研究成果的基础上，介绍一种基于反熔丝型FPGA的防SEU加固方法。这种方法以一片反熔丝型FPGA为核心芯片，并同时运用了TMR技术和scrubbing技术。lSRAM型FPGA的SEu失效模式当具有一定能量的重粒子与存储器或者电路PN结发生碰撞时，在重粒子运动轨迹周围形成的电荷被灵敏电极收集并形成瞬态电流，如果电流

6、超过一定值就会触发逻辑电路，形成逻辑状态的翻转。图1为FPGA的SEU示意图[1]，图2为SRAM型FPGA内部SEU敏感区域示意图瞳]。宇宙高能粒子翟1上n上厂[娑U≮。n—Substrate二√?三、p—Wen，图1FI’GA的SEU示意图2015(3)陈贺贤，等：一种星载信号处理机中FPGA防单粒子翻转加固方法63图2SEU敏感区域示意图在SRAM型FPGA中，SEU敏感区域主要集中在配置存储器区、BlockRAM、查找表、触发电路等。特别是配置存储器单元，是FPGA最核心的部分同时也是SEU最敏感的区域[3]。SRAM型FPGA可以看作配置存储区和受其控制的

7、可配置逻辑资源的叠加。配置存储区是FPGA内部的一个大容量存储区，控制着所有可配置逻辑资源，如布线资源、可编程逻辑资源、数字时钟管理模块及输入输出单元等，并且配置存储区的bit位数一般要比触发器资源高两至三个量级。以星载信号处理机中最常用的300万门VirtexⅡ系列FPGA为例，配置信息可达10，494，368bit之多[3]。2Antifuse型FPGA介绍Actel公司以生产反熔丝工艺FPGA著称，一直致力于航天航空、医疗仪器等特殊领域的芯片研发。本方案选用Actel公司AX系列反熔丝工艺FPGA作为信号处理机抗SEU加固的核心芯片。该芯片具有以下特点：1