CN102332310A - 一种基于fpga的nand flash器件单粒子效应测试系统 - Google Patents

一种基于fpga的nand flash器件单粒子效应测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的NAND FLASH器件单粒子效应测试系统，属于空间辐射效应及加固技术领域。所述系统包括通信接口模块、外围控制平台、上位机、被测器件、模拟源、电源开关以及FPGA，其中FPGA包括缓存模块、控制模块、输入/输出读写模块、传感器输入/输出模块、检测结果模块；该系统能够实现对大容量NAND FLASH器件单粒子效应的测试，获得单粒子效应特征参数，进而，通过对得到参数的分析，可以实现对被试器件抗单粒子效应能力的预估。

Description

一种基于FPGA的NAND FLASH器件单粒子效应测试系统
技术领域
本发明涉及一种基于FPGA的NAND FLASH器件单粒子效应测试系统，属于空间辐射效应及加固技术领域。 
背景技术
由于NAND Flash存储器具有功耗低、芯片引脚兼容性好、掉电不丢失数据、短时间内不需重刷新数据等优点，近年来已在空间用得到一定的应用。但是，空间辐射环境中的带电粒子容易诱发NAND Flash器件发生单粒子效应，给卫星载荷在轨效能发挥带来一定的影响。同时，随着卫星长寿命、高可靠性要求，器件地面单粒子效应试验评价显得尤为重要。由于1G以上NAND Flash器件结构与以往别的静态存储器结构不同，并且更为复杂，其以往的单粒子效应测试系统将不能实现测试。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于FPGA的NAND FLASH器件单粒子效应测试系统，该系统能够实现对1G以上NAND FLASH器件单粒子效应的测试，获得单粒子效应特征参数，进而，通过对得到参数的分析，可以提高对被试器件抗单粒子效应能力预估的准确性。 
本发明的目的由以下技术方案实现： 
一种基于FPGA的NAND FLASH器件单粒子效应测试系统，所述系统包括通信接口模块、外围控制平台、上位机、被测器件、模拟源、电源开关以及FPGA，其中FPGA包括缓存模块、控制模块、输入/输出读写模块、传感器输入/输出模块、检测结果模块； 
外围控制平台与缓存模块、通信接口模块以及电源开关相连，缓存模块与控制模块相连，控制模块与输入/输出读写模块、电源开关、通信接口模块以及传感器输入/输出模块相连，同时传感器输入/输出模块又与传感器相连，而被测器件同时与模拟源、传感器、输入/输出读写模块以及检测结果模块相连，检测 结果模块与通信接口模块相连，通信接口模块与上位机和外围控制平台相连； 
外围控制平台：用来将地址指令和控制指令传输给缓存模块； 
缓存模块：存放外围控制平台输入的5个周期的地址码、写操作指令码、读操作指令码和擦除操作指令码，并将地址码、指令码传输给控制模块；所述写操作指令码为80H；读操作指令码有两个，其中，第一指令码为00H，用来在控制信号WE的上升沿锁存指令和地址；第二指令码为30H，把FPGA地址寄存器所指定页的数据读入被测器件内部缓存区；擦除操作包括两个指令码，其中，第一指令码为60H，用来锁存来自外部控制平台的指令和地址；第二指令码为D0H，用来完成擦除操作，同时通过读被测器件的状态寄存器来判断块擦除操作是否成功； 
控制模块：对缓存模块输入的地址码、指令码进行译码，用来输出控制指令；该模块还有一个存储单元，在该单元内预先设定电流阈值； 
输入/输出读写模块：对控制模块输入的地址码、指令码的译码进行读写后输出给被测器件； 
传感器输入/输出模块：接收控制模块指令，并将指令传给传感器；同时接收传感器的数据，将数据传送给控制模块中的存储单元； 
检测结果模块：接收被测器件的测试数据，将数据传给通信接口模块，上位机； 
通信接口模块：将输入的数据传给上位机，同时也可以接收上位机的指令； 
传感器：传感器中的电流采集模块MAX472通过AD转换器AD7472将采样电阻两端的电压信号转化成数字信号后，将电流信号传输给传感器输入/输出模块； 
上位机：显示和存储测试结果，同时经过通信接口模块向测试系统传送地址码和指令码； 
被测器件：包括但不限于NAND FLASH器件 
模拟源：包括但不限于重离子加速器、质子加速器、锎源或脉冲激光等模拟源，根据实验需要选择合适的模拟源； 
电源开关：接收控制模块指令，控制被测器件电源的开启和关闭； 
工作流程如下： 
当要进行单粒子翻转或单粒子功能中断测试时， 
(1)测试系统上电； 
(2)上位机将5个周期地址码、写操作指令码为80H、读操作第一指令码00H、读操作第二指令码30H、擦除操作第一指令码60H和擦除操作第二指令码D0H经通信接口模块输出给外部控制平台； 
(3)外部控制平台接收步骤(2)输出的地址码和指令码输后，输出给缓存模块； 
(4)缓存模块接收步骤(3)输出的地址码和指令码后，传给控制模块； 
(5)控制模块接收步骤(4)输出的地址码和指令码，进行译码后，传给输入/输出读写模块和电源开关； 
(6)输入/输出读写模块接收步骤(5)输出的译码后的地址码和指令码，传给被测器件； 
(7)被测器件接收步骤(6)输出的地址码和指令码； 
(8)启动模拟源对被测器件进行辐照，将检测结果通过检测结果模块和通信接口模块传给上位机； 
(9)上位机对接收步骤(8)检测的结果进行单粒子翻转的个数计数并存储，中断的次数计数并存储，以及判断；这里的中断指上位机无法进行读、写、擦除操作； 
具体为根据5个周期地址码的时序判断检测结果与上位机初始数据是否一致，若不一致，表示发生了数据翻转，一般数据翻转为单粒子功能中断和单粒子翻转两种现象；若判断数据连续翻转个数大于1024个，判断为发生了单粒子功能中断现象，反之，判断为发生了单粒子翻转现象；若出现以上两种情况，接步骤(8)继续进行循环； 
当上位机无法进行读、写、擦除操作时，即认为检测的结果中出现中断，表示发生了单粒子功能中断现象，此时，上位机通过通信接口模块和控制模块向电源开关发出断电重启指令；对系统重新上电，执行步骤(1)，并开始进行重启检测过程。 
当要进行单粒子锁定测试时， 
(1)测试系统上电； 
(2)上位机将5个周期地址码、写操作指令码为80H、读操作第一指令码00H、读操作第二指令码30H、擦除操作第一指令码60H和擦除操作第二指令码 D0H经通信接口模块输出给外部控制平台； 
(3)外部控制平台接收步骤(2)输出的地址码和指令码输后，输出给缓存模块； 
(4)缓存模块接收步骤(3)输出的地址码和指令码后，传给控制模块； 
(5)控制模块接收步骤(4)输出的地址码和指令码后，进行译码后，传给输入/输出读写模块和电源开关； 
(6)输入/输出读写模块接收步骤(5)输出的译码后地址码和指令码，传给被测器件； 
(7)被测器件接收步骤(6)输出的地址码和指令码； 
(8)启动模拟源对被测器件进行辐照； 
(9)在辐照过程中，传感器采集被测器件的电流模拟信号，并通过AD转换器AD7472将模拟信号转化成数字信号，即电流值，将电流值传输给传感器输入/输出模块； 
(10)传感器输入/输出模块接收步骤(9)输出的电流值后，传给控制模块； 
(11)控制模块接收步骤(10)输出的电流值后，与其中的存储单元预先设定的阈值进行比较，将比较结果通过通信接口模块传给上位机，并进行计数、存储，若接收的电流值大于设定阈值，上位机通过通信接口模块和控制模块向电源开关发送断电重新启动指令，对系统重新上电，执行步骤(1)，并开始进行重启检测过程；反之，不向电源开关发送任何指令，接步骤(9)继续进行辐照。 
有益效果 
能够在实验室模拟源辐照条件下获取大容量NAND FLASH器件单粒子效应特征参数，如单粒子截面、截面曲线(σ～LET(线性传输能量)或E(能量))、单粒子LET或能量阈值、发生单粒子锁定的大电流及持续时间等信息参数，提高获得这些特征参数的效率；进而，通过对得到参数的分析，可以提高对被试器件抗单粒子事件能力预估的准确性。 
附图说明
图1为本发明所述的一种基于FPGA的NAND FLASH器件单粒子效应测试系统流程图。 
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。 
实施例 
本发明的一种基于FPGA的NAND FLASH器件单粒子效应测试系统，所述系统包括通信接口模块、外围控制平台、上位机、被测器件、模拟源、电源开关以及FPGA，其中FPGA包括缓存模块、控制模块、输入/输出读写模块、传感器输入/输出模块、检测结果模块； 
外围控制平台与缓存模块、通信接口模块以及电源开关相连，缓存模块与控制模块相连，控制模块与输入/输出读写模块、电源开关、通信接口模块以及传感器输入/输出模块相连，同时传感器输入/输出模块又与传感器相连，而被测器件同时与模拟源、传感器、输入/输出读写模块以及检测结果模块相连，检测结果模块与通信接口模块相连，通信接口模块与上位机和外围控制平台相连； 
外围控制平台：用来将地址指令和控制指令传输给缓存模块； 
缓存模块：存放外围控制平台输入的5个周期的地址码、写操作指令码、读操作指令码和擦除操作指令码，并将地址码、指令码传输给控制模块；所述写操作指令码为80H；读操作指令码有两个，其中，第一指令码为00H，用来在控制信号WE的上升沿锁存指令和地址；第二指令码为30H，把FGPA地址寄存器所指定页的数据读入被测器件内部缓存区；擦除操作包括两个指令码，其中，第一指令码为60H，用来锁存来自外部控制平台的指令和地址；第二指令码为D0H，用来完成擦除操作，同时通过读被测器件的状态寄存器来判断块擦除操作是否成功； 
控制模块：对缓存模块输入的地址码、指令码进行译码，用来输出控制指令；该模块还有一个存储单元，在该单元内预先设定电流阈值； 
输入/输出读写模块：对控制模块输入的地址码、指令码的译码进行读写后输出给被测器件； 
传感器输入/输出模块：接收控制模块指令，并将指令传给传感器；同时接收传感器的数据，将数据传送给控制模块中的存储单元； 
检测结果模块：接收被测器件的测试数据，将数据传给通信接口模块，上位机； 
通信接口模块：将输入的数据传给上位机，同时也可以接收上位机的指令； 
传感器：传感器中的电流采集模块MAX472通过AD转换器AD7472将采样电阻两端的电压信号转化成数字信号后，将电流信号传输给传感器输入/输出模块； 
上位机：显示和存储测试结果，同时经过通信接口模块向测试系统传送地址码和指令码； 
被测器件：包括但不限于NAND FLASH器件 
模拟源：包括但不限于重离子加速器、质子加速器、锎源或脉冲激光等模拟源，根据实验需要选择合适的模拟源； 
电源开关：接收控制模块指令，控制被测器件电源的开启和关闭； 
工作流程如下： 
当要进行单粒子翻转或单粒子功能中断测试时， 
(1)测试系统上电； 
(2)上位机将5个周期地址码、写操作指令码为80H、读操作第一指令码00H、读操作第二指令码30H、擦除操作第一指令码60H和擦除操作第二指令码D0H经通信接口模块输出给外部控制平台； 
(3)外部控制平台接收步骤(2)输出的地址码和指令码输后，输出给缓存模块； 
(4)缓存模块接收步骤(3)输出的地址码和指令码后，传给控制模块； 
(5)控制模块接收步骤(4)输出的地址码和指令码，进行译码后，传给输入/输出读写模块和电源开关； 
(6)输入/输出读写模块接收步骤(5)输出的译码后的地址码和指令码，传给被测器件； 
(7)被测器件接收步骤(6)输出的地址码和指令码； 
(8)启动模拟源对被测器件进行辐照，将检测结果通过检测结果模块和通信接口模块传给上位机； 
(9)上位机对接收步骤(8)检测的结果进行单粒子翻转的个数计数并存储，中断的次数计数并存储，以及判断；这里的中断指上位机无法进行读、写、擦除操作； 
具体为根据5个周期地址码的时序判断检测结果与上位机初始数据是否一 致，若不一致，表示发生了数据翻转，一般数据翻转为单粒子功能中断和单粒子翻转两种现象；若判断数据连续翻转个数大于1024个，判断为发生了单粒子功能中断现象，反之，判断为发生了单粒子翻转现象；若出现以上两种情况，接步骤(8)继续进行循环； 
当上位机无法进行读、写、擦除操作时，即认为检测的结果中出现中断，表示发生了单粒子功能中断现象，此时，上位机通过通信接口模块和控制模块向电源开关发出断电重启指令；对系统重新上电，执行步骤(1)，并开始进行重启检测过程。 
当要进行单粒子锁定测试时， 
(1)测试系统上电； 
(2)上位机将5个周期地址码、写操作指令码为80H、读操作第一指令码00H、读操作第二指令码30H、擦除操作第一指令码60H和擦除操作第二指令码D0H经通信接口模块输出给外部控制平台； 
(3)外部控制平台接收步骤(2)输出的地址码和指令码输后，输出给缓存模块； 
(4)缓存模块接收步骤(3)输出的地址码和指令码后，传给控制模块； 
(5)控制模块接收步骤(4)输出的地址码和指令码后，进行译码后，传给输入/输出读写模块和电源开关； 
(6)输入/输出读写模块接收步骤(5)输出的译码后地址码和指令码，传给被测器件； 
(7)被测器件接收步骤(6)输出的地址码和指令码； 
(8)启动模拟源对被测器件进行辐照； 
(9)在辐照过程中，传感器采集被测器件的电流模拟信号，并通过AD转换器AD7472将模拟信号转化成数字信号，即电流值，将电流值传输给传感器输入/输出模块； 
(10)传感器输入/输出模块接收步骤(9)输出的电流值后，传给控制模块； 
(11)控制模块接收步骤(10)输出的电流值后，与其中的存储单元预先设定的阈值进行比较，将比较结果通过通信接口模块传给上位机，并进行计数、存储，若接收的电流值大于设定阈值，上位机通过通信接口模块和控制模块向电源开关发送断电重新启动指令，对系统重新上电，执行步骤(1)，并开始进 行重启检测过程；反之，不向电源开关发送任何指令，接步骤(9)继续进行辐照。 
写操作时：上位机通过串口通信模块、外部控制平台、缓存模块、控制模块、输入/输出读写模块将写操作指令码80H和5周期地址码发送给被测器件；被测器件将写操作指令码和5周期地址码锁存；然后控制模块经输入/输出读写模块将数据依次写入被测器件； 
读操作时：上位机通过串口通信模块、外部控制平台、缓存模块、控制模块、输入/输出读写模块将读操作第一指令00H和5周期地址码发送给被测器件；被测器件将读操作第一指令和5周期地址码锁存；然后，上位机再通过串口通信模块、外部控制平台、缓存模块、控制模块、输入/输出读写模块将读操作第二指令30H发送给被测器件；被测器件将读操作第二指令锁存；上位机通过串口通信模块、外部控制平台、缓存模块、控制模块、输入/输出读写模块依次读出数据； 
擦除操作时：上位机通过串口通信模块、外部控制平台、缓存模块、控制模块、输入/输出读写模块将擦除操作第一指令60H和3周期地址码发送给被测器件；被测器件将擦除操作第一指令和3周期地址码锁存后，上位机通过串口通信模块、外部控制平台、缓存模块、控制模块、输入/输出读写模块向被测器件发送擦除操作第二指令D0H，被测器件将擦除操作第二指令锁存后，进行擦除操作。 
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。 

Claims (1)

1.一种基于FPGA的NAND FLASH器件单粒子效应测试系统，所述系统包括通信接口模块、外围控制平台、上位机、被测器件、模拟源、电源开关以及FPGA，其中FPGA包括缓存模块、控制模块、输入/输出读写模块、传感器输入/输出模块、检测结果模块；
外围控制平台与缓存模块、通信接口模块以及电源开关相连，缓存模块与控制模块相连，控制模块与输入/输出读写模块、电源开关、通信接口模块以及传感器输入/输出模块相连，同时传感器输入/输出模块又与传感器相连，而被测器件同时与模拟源、传感器、输入/输出读写模块以及检测结果模块相连，检测结果模块与通信接口模块相连，通信接口模块与上位机和外围控制平台相连；
外围控制平台：用来将地址命令和控制命令传输给缓存模块；
缓存模块：存放外围控制平台输入的5个周期的地址码、写操作指令码、读操作指令码和擦除操作指令码，并将地址码、指令码传输给控制模块；所述写操作指令码为80H；读操作指令码有两个，其中，第一指令码为00H，用来在控制信号WE的上升沿锁存命令和地址；第二指令码为30H，把FPGA地址寄存器所指定页的数据读入被测器件内部缓存区；擦除操作包括两个指令码，其中，第一指令码为60H，用来锁存来自外部控制平台的命令和地址；第二指令码为D0H，用来完成擦除操作，同时通过读被测器件的状态寄存器来判断块擦除操作是否成功；
控制模块：对缓存模块输入的地址码、指令码进行译码，用来输出控制指令；该模块还有一个存储单元，在该单元内预先设定电流阈值；
输入/输出读写模块：对控制模块输入的地址码、指令码的译码进行读写后输出给被测器件；
传感器输入/输出模块：接收控制模块指令，并将指令传给传感器；同时接收传感器的数据，将数据传送给控制模块中的存储单元；
检测结果模块：接收被测器件的测试数据，将数据传给通信接口模块，上位机；
通信接口模块：将输入的数据传给上位机，同时也可以接收上位机的指令；
传感器：传感器中的电流采集模块MAX472通过AD转换器AD7472将采样电阻两端的电压信号转化成数字信号后，将电流信号传输给传感器输入/输出模块；
上位机：显示和存储测试结果，同时经过通信接口模块向测试系统传送地址码和指令码；
被测器件：包括但不限于NAND FLASH器件
模拟源：包括但不限于重离子加速器、质子加速器、锎源或脉冲激光等模拟源，根据实验需要选择合适的模拟源；
电源开关：接收控制模块指令，控制被测器件电源的开启和关闭；
工作流程如下：
当要进行单粒子翻转或单粒子功能中断测试时，
(1)测试系统上电；
(2)上位机将5个周期地址码、写操作指令码为80H、读操作第一指令码00H、读操作第二指令码30H、擦除操作第一指令码60H和擦除操作第二指令码D0H经通信接口模块输出给外部控制平台；
(3)外部控制平台接收步骤(2)输出的地址码和指令码输后，输出给缓存模块；
(4)缓存模块接收步骤(3)输出的地址码和指令码后，传给控制模块；
(5)控制模块接收步骤(4)输出的地址码和指令码，进行译码后，传给输入/输出读写模块和电源开关；
(6)输入/输出读写模块接收步骤(5)输出的译码后的地址码和指令码，传给被测器件；
(7)被测器件接收步骤(6)输出的地址码和指令码；
(8)启动模拟源对被测器件进行辐照，将检测结果通过检测结果模块和通信接口模块传给上位机；
(9)上位机对接收步骤(8)检测的结果进行单粒子翻转的个数计数并存储，中断的次数计数并存储，以及判断；这里的中断指上位机无法进行读、写、擦除操作；
具体为根据5个周期地址码的时序判断检测结果与上位机初始数据是否一致，若不一致，表示发生了数据翻转，一般数据翻转为单粒子功能中断和单粒子翻转两种现象；若判断数据连续翻转个数大于1024个，判断为发生了单粒子功能中断现象，反之，判断为发生了单粒子翻转现象；若出现以上两种情况，接步骤(8)继续进行循环；
当上位机无法进行读、写、擦除操作时，即认为检测的结果中出现中断，表示发生了单粒子功能中断现象，此时，上位机通过通信接口模块和控制模块向电源开关发出断电重启指令；对系统重新上电，执行步骤(1)，并开始进行重启检测过程；
当要进行单粒子锁定测试时，
(1)测试系统上电；
(2)上位机将5个周期地址码、写操作指令码为80H、读操作第一指令码00H、读操作第二指令码30H、擦除操作第一指令码60H和擦除操作第二指令码D0H经通信接口模块输出给外部控制平台；
(3)外部控制平台接收步骤(2)输出的地址码和指令码输后，输出给缓存模块；
(4)缓存模块接收步骤(3)输出的地址码和指令码后，传给控制模块；
(5)控制模块接收步骤(4)输出的地址码和指令码后，进行译码后，传给输入/输出读写模块和电源开关；
(6)输入/输出读写模块接收步骤(5)输出的译码后地址码和指令码，传给被测器件；
(7)被测器件接收步骤(6)输出的地址码和指令码；
(8)启动模拟源对被测器件进行辐照；
(9)在辐照过程中，传感器采集被测器件的电流模拟信号，并通过AD转换器AD7472将模拟信号转化成数字信号，即电流值，将电流值传输给传感器输入/输出模块；
(10)传感器输入/输出模块接收步骤(9)输出的电流值后，传给控制模块；
(11)控制模块接收步骤(10)输出的电流值后，与其中的存储单元预先设定的阈值进行比较，将比较结果通过通信接口模块传给上位机，并进行计数、存储，若接收的电流值大于设定阈值，上位机通过通信接口模块和控制模块向电源开关发送断电重新启动指令，对系统重新上电，执行步骤(1)，并开始进行重启检测过程；反之，不向电源开关发送任何指令，接步骤(9)继续进行辐照。
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