CN101196837A - 一种检测80c31单粒子效应的装置 - Google Patents

一种检测80c31单粒子效应的装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种检测80C31单粒子效应的装置，电源模块分别给主测CPU和被测80C31供电，电流采集卡采集供给被测80C31的电流，并将采集的电流值发送给上位机，当所述的电流值超过预先设定的阈值时，发生闩锁，上位机发送指令给电源模块，由电源0模块将被测80C31断电，主测CPU通过串口从上位机接收测试程序代码，并将接收到的代码写入SRAM中，被测80C31从SRAM中读取代码，被测80C31根据读取的代码运行测试程序，并将程序运行结果暂存在双口RAM中，主测CPU从双口RAM中提取运行结果，将发生单粒子翻转的结果发送给上位机。本发明实现了测试程序的在线下载及修改，且测试内容全面、装置可靠性高。

Description

一种检测80C31单粒子效应的装置
技术领域
本发明涉及一种检测CPU单粒子效应的装置，属抗辐射元器件效应领域。
背景技术
单粒子事件是空间单个高能粒子，包括重离子、高能质子、高能电子或中子轰击微电子器件，导致微电子器件逻辑功能翻转或者器件损坏的事件，主要有单粒子翻转事件和单粒子锁定事件。单粒子翻转是高能带电粒子在半导体芯片中的电离作用而造成的数据位翻转。单粒子锁定是高能带电粒子引起的电子元器件的死锁。
随着我国航天、核武器、核潜艇等科学技术的发展，单粒子事件对航天工程带来的后果越来越大，计算机系统在航天工程中往往担任非常重要的任务，CPU又是计算机的心脏，如其发生单粒子翻转或锁定事件，必将导致程序的走飞，使计算机无法正常工作，可能带来严重的后果，因此大规模计算机CPU芯片的辐射效应的研究也日趋重要。从而需要研究电子器件的抗辐射能力，选用抗单粒子能力较强的电路芯片，提高航天器的可靠性。
中国专利200410083647.1介绍了一种检测微处理器抗单粒子事件能力的探测器及方法，该探测器是一种用于卫星上的装置，采用了总线结构进行数据交换，测试程序固化在被测CPU的存储器中，只适合星载系统试验并且程序无法在线修改，通过对比初值与接收到的数据，判断内部RAM是否发生翻转，没有把测试程序细分为一般数据寄存器测试、特殊功能寄存器测试、内部工作寄存器和逻辑单元功能测试，这对CPU单粒子效应的研究是不全面的，并且错误数据保存在被测CPU内部RAM中，一旦被测CPU内部RAM发生翻转，可能导致CPU计算错误，从而使实验数据不可靠；上述专利中电流检测部分是采用限流器每秒采集一次电流值来判断是否发生锁定事件，该方案响应速度慢，严重时会烧毁器件。
目前，在地面模拟试验中检测80C31单粒子效应的方法主要是针对寄存器的翻转情况，存在下面两种方法：
1.通过硬件电路监测CPU地址线，由于CPU自身的复杂性，此种方法很难实现检测CPU单粒子事件的效应，工程上一般不用。
2.通过单CPU进行自测试，当CPU发生翻转时，自身程序也无法保证正常运行，从而引起更多的错误，容易出现无法正确判断翻转次数或发生漏测的情况；同时，单CPU结构也限制了研究被测器件单粒子事件的全面性，无法正确、全面的评价被测器件发生的单粒子效应，有很大的局限性，对于检测CPU的单粒子效应来讲，仅仅考虑一般数据寄存器的翻转是不够的。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种检测80C31单粒子效应的装置，该装置采用基于双口RAM的双CPU结构，结合可编程的SRAM，实现在线测试程序的下载及修改，且测试内容全面、装置可靠性高。
本发明的技术解决方案是：一种检测80C31单粒子效应的装置，包括电源模块、上位机、主测CPU、被测80C31、双口RAM、SRAM和电流采集卡；电源模块分别给主测CPU和被测80C31供电，电流采集卡采集供给被测80C31的电流，并将采集的电流值发送给上位机，当所述的电流值超过预先设定的阈值时，发生闩锁，上位机发送指令给电源模块，由电源模块将被测80C31断电，上位机通过串口与主测CPU进行通信，主测CPU通过串口从上位机接收测试程序代码，并将接收到的代码写入SRAM中，被测80C31从SRAM中读取所述的代码，被测80C3 1根据读取的代码运行测试程序，并将程序运行结果暂存在双口RAM中，主测CPU从双口RAM中提取运行结果，并将提取的结果处理后，将发生单粒子翻转的结果发送给上位机。
还包括看门狗，所述的看门狗与被测80C31连接，当装置出现单粒子锁定或翻转时，被测80C31程序会跑飞或死机，通过看门狗将被测80C31复位，或按照预先设定的时间周期，对被测80C31进行复位。
还包括两个外部RAM，外部RAM分别与主测CPU和被测80C31连接，存放测试程序数据，提高运行速度。
所述的测试程序代码分为一般数据寄存器测试、特殊功能寄存器测试、内部工作寄存器和逻辑单元功能测试。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明采用双CPU结构，通过双口RAM进行数据交换，与现有地面模拟试验装置采用单CPU自测相比，可以更全面的实现对80C31单粒子效应的测试，与现有星载系统采用总线进行数据交换相比，本发明充分利用双口RAM运行速度快、方式简单的优点，使得数据交换快速可靠，能够实时反映CPU的状态，并且试验数据全面、可靠。
(2)本发明采用可编程的SRAM，可以在上位机通过串口下载测试程序到主测CPU，然后通过地址线、数据线下载到SRAM中，与现有的装置将程序固化在被测CPU外部存储器相比，实现了远程下载和在线修改，测试软件灵活，可以实行多种测试程序进行分别测试，本发明将测试程序分为一般数据寄存器测试、特殊功能寄存器测试、内部工作寄存器和逻辑单元功能测试，且可修改能力强，测试时间可调节，可扩展性强，从而使得测试更加全面、准确，实际操作也十分方便。
(3)本发明上位机发出命令通过继电器控制80C31的通断电，采样时间为毫秒级，与现有装置每秒采样相比响应时间短，从而在发生闩锁的情况下可以及时给80C31断电保护。
(4)本发明复位电路采用看门狗技术，使电路在瞬时掉电模式可以自行复位，对系统起到硬件上的保护作用，软件防护措施可靠，程序跑飞或死机后可以自行复位，提高了装置的稳定可靠性。
(5)本发明主测CPU和被测80C31分别与两个外部RAM连接，外部RAM用于存放测试程序临时数据，提高运行速度。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明主测CPU程序流程图，2a为主流程图，2b为中断响应流程图；
图3为本发明被测80C31程序流程图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明的装置结构示意图，包括电源模块、上位机、主测CPU、被测80C31、双口RAM、SRAM和电流采集卡；电源模块包括RC滤波、D/C转换、继电器；外部电源通过RC滤波、D/C转换后分成两路，一路直接给主测CPU供电，另一路通过继电器给被测80C31供电，电流采集卡采集供给被测80C31的电流，并将采集的电流值发送给上位机，为了采样时间达到毫秒级，电流采集卡可以选用美国TI公司生产的1609产品；当所述的电流值超过预先设定的阈值时，发生闩锁，上位机发送指令给继电器，由继电器将被测80C31断电；当发生闩锁时，本发明也可以通过上位机将指令发送给主测CPU，由主测CPU将指令发送给继电器，由继电器将被测80C31断电。上位机通过串口与主测CPU进行通信，主测CPU通过串口从上位机接收测试程序代码，并将接收到的代码写入SRAM中，被测80C31从SRAM中读取所述的代码，被测80C31根据读取的代码运行测试程序，并将程序运行结果暂存在双口RAM中，主测CPU从双口RAM中提取运行结果，并将提取的结果处理后，将发生单粒子翻转的结果发送给上位机。对上面所述的主测CPU没有特殊要求，只要能实现所述功能即可，本发明选用AT89C52。
为了更好的保护装置的稳定、可靠，本发明还包括看门狗，所述的看门狗与被测80C31连接，当装置出现单粒子锁定或翻转时，被测80C31程序会跑飞或死机，通过看门狗将被测80C31复位，或按照预先设定的时间周期，对被测80C31进行复位。
本发明还可以包括两个外部RAM，外部RAM分别与主测CPU和被测80C31连接，存放测试程序临时数据，提高运行速度。主测CPU还可以与一个外部ROM连接，将主测CPU测试程序放到外部ROM中，方便程序的扩展，提高装置的测试能力。主测CPU测试程序流程如图2所示，具体实现过程如下：
步骤1，装置上电进行初始化，包括串口、定时器、中断、双口RAM等的初始化工作。扩展RAM单元通过片选控制其是否选通，双口RAM采用中断方式，其地址编为FCOOH-FFFFH，左端口写FFFFH单元时右端口产生中断，右端口响应读取FFFFH单元内容后中断返回。同理，右端口写FFFEH单元时左端口也产生中断，左端口读取该单元内容后中断返回。
步骤2，主测CPU(AT89C52)通过串口接收上位机发来的命令，判断上位机要求测试板工作的状态，主要包括通信测试、向被测CPU(80C31)写测试数据、向被测CPU(80C31)的外部SRAM下载程序、检查被测CPU(80C31)上电后主测试程序运行等几个方面。上面所述的各个方面相对独立，自顶向下模块化的编程使得程序结构合理，调试方便，也便于以后程序的维护和扩展。
步骤3，主测试CPU(AT89C52)可以查询被测CPU(80C31)的上电情况，当上位机给被测CPU(80C31)上电后，主测试CPU(AT89C52)校验通过后，才向双口RAM发送数据，将要写进被测CPU(80C31)的数据写到双口RAM中，双口RAM采用中断方式，向FFFFH单元写入标识，标识上位机发来的命令，主测试CPU(AT89C52)进入等待状态，等待被测CPU(80C31)发出的中断。
步骤4，被测CPU(80C31)运行测试程序后，按一定时间向双口RAM写入测试后的结果，并向FFFEH单元写入标识，产生中断，主测CPU响应中断，入栈保护现场，判断标识，当为逻辑单元测试时，将测试结果与主测CPU运行结果进行比较，错误上传；当为内部一般数据寄存器测试、特殊功能寄存器测试和内部工作寄存器测试时，将测试结果与初值进行比较，出错的话上传该单元的地址和数据给上位机，由上位机进行计数，统计翻转次数。程序如此循环，完成后继续测试。
上面所述的初值，当测试的为一般数据寄存器测试和内部工作寄存器测试时为55H或AAH，当测试的为特殊功能寄存器测试时为特定值。
如图3所示，为本发明被测80C31程序流程图，具体实现过程如下：
步骤1，被上电后先进行初始化工作，包括定时器、中断、双口RAM等的工作方式的设定和参数设定。扩展外部RAM也通过片选控制其是否选通。
步骤2，查询等待接收到主测CPU(AT89C52)的中断命令后，被测CPU(80C31)向自身一般数据寄存器、特殊功能寄存器和内部工作寄存器写入数据。不同的测试程序执行不同功能，由上位机提前下载到SRAM中。
步骤3，按一定的时间间隔，并且该时间可调，读出一般数据寄存器、特殊功能寄存器和内部工作寄存器中的内容，并将测试结果写入双口RAM，然后写FFFEH单元产生中断，直到主测试CPU(AT89C52)响应中断后继续测试。
步骤4，当由于单粒子翻转导致的死机或者程序走飞时，通过看门狗WATCHDOG对系统进行复位，使系统对瞬间断电能够自我保护，软件防护措施可靠，从而提高了系统的可靠性和安全性。
通过在252Cf源(252Cf粒子平均LET值为43 Mev*cm2/mg，粒子入射注量为8.64×104ions/cm2)真空环境下进行辐照试验，利用本发明分别对商用80C31和抗辐射加固80C31进行单粒子试验，商用80C31和抗辐照加固80C31试验结果如表1所示：
表1商用80C31和抗辐照加固80C31试验结果
元器件 离子   LET*(Mev*cm2/mg)   注量(ions/cm2)    射程(μm)   闩锁次数     翻转次数
商用80C31 252Cf 43 8.64×104 13 20 2
抗辐射加固80C31 252Cf 43 8.64×104 13 0 0
表1中*代表60°倾角入射下的有效LET值，从表中可以看出，商用80C31电路发生闩锁20次，翻转2次，抗辐照加固80C31没有发生闩锁和翻转。通过对比单粒子试验结果，验证了本发明的可靠性。
本发明所述的装置可以对其他8位机进行单粒子效应的检测，利用本发明的思想在本发明基础上进行的修改，也落入本发明的保护范围。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种检测80C31单粒子效应的装置，其特征在于：包括电源模块、上位机、主测CPU、被测80C31、双口RAM、SRAM和电流采集卡；电源模块分别给主测CPU和被测80C31供电，电流采集卡采集供给被测80C31的电流，并将采集的电流值发送给上位机，当所述的电流值超过预先设定的阈值时，发生闩锁，上位机发送指令给电源模块，由电源模块将被测80C31断电，上位机通过串口与主测CPU进行通信，主测CPU通过串口从上位机接收测试程序代码，并将接收到的代码写入SRAM中，被测80C31从SRAM中读取所述的代码，被测80C31根据读取的代码运行测试程序，并将程序运行结果暂存在双口RAM中，主测CPU从双口RAM中提取运行结果，并将提取的结果处理后，将发生单粒子翻转的结果发送给上位机。
2.根据权利要求1所述的一种检测80C31单粒子效应的装置，其特征在于：还包括看门狗，所述的看门狗与被测80C31连接，当装置出现单粒子锁定或翻转时，被测80C31程序会跑飞或死机，通过看门狗将被测80C31复位，或按照预先设定的时间周期，对被测80C31进行复位。
3.根据权利要求1或2所述的一种检测80C31单粒子效应的装置，其特征在于：还包括两个外部RAM，外部RAM分别与主测CPU和被测80C31连接，存放测试程序数据，提高运行速度。
4.根据权利要求1或2所述的一种检测80C31单粒子效应的装置，其特征在于：所述的测试程序代码分为一般数据寄存器测试、特殊功能寄存器测试、内部工作寄存器和逻辑单元功能测试。
5.根据权利要求3所述的一种检测80C31单粒子效应的装置，其特征在于：所述的测试程序代码分为一般数据寄存器测试、特殊功能寄存器测试、内部工作寄存器和逻辑单元功能测试。
6.根据权利要求1或2所述的一种检测80C31单粒子效应的装置，其特征在于：所述的电源模块包括RC滤波、D/C转换、继电器；外部电源通过RC滤波、D/C转换后分成两路，一路直接给主测CPU供电，另一路通过继电器给被测80C31供电，当电流采集卡采集的电流值超过预先设定的阈值时，发生闩锁，上位机发送指令给继电器，由继电器将被测80C31断电。
7.根据权利要求3所述的一种检测80C31单粒子效应的装置，其特征在于：所述的电源模块包括RC滤波、D/C转换、继电器；外部电源通过RC滤波、D/C转换后分成两路，一路直接给主测CPU供电，另一路通过继电器给被测80C31供电，当电流采集卡采集的电流值超过预先设定的阈值时，发生闩锁，上位机发送指令给继电器，由继电器将被测80C31断电。
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