CN102520333A - 一种对空间应用数字信号处理器进行单粒子翻转效应模拟的装置 - Google Patents

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朱明达
秦姣梅
邓燕
张家铭
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Abstract

本发明公开了一种对空间应用数字信号处理器进行单粒子翻转效应模拟的装置。所述装置包括模拟核心模块，具体包括作为模拟控制器的FPGA及其PROM芯片，用来插拔所述被测芯片FPGA及其PROM的插座；所述模拟控制器用于通过软件编程实现对所述插座上所插的被测芯片FPGA的回读和重配置，并在所述被测芯片FPGA运行过程中，对所述被测芯片FPGA的配置数据按照需要注入的故障类型进行修改，将修改后的配置数据动态重配置到所述被测芯片FPGA中，实现对所述被测芯片FPGA的单粒子翻转效应模拟。该装置以SRAM型FPGA作为模拟的被测芯片和控制器，从而实现单粒子翻转的辐射模拟和故障注入模拟，并且功能完善，能有效的对半导体器件的抗单粒子翻转能力进行评测。

Description

一种对空间应用数字信号处理器进行单粒子翻转效应模拟的装置
技术领域
本发明涉及数字信号处理器技术领域，尤其涉及一种对空间应用数字信号处理器进行单粒子翻转效应模拟的装置。
背景技术
目前，数字信号处理器在空间应用时易受到单粒子翻转效应的影响，且随着半导体器件的发展，单粒子翻转的影响不断增强。在空间应用中，当具有足够转移能量的带电粒子击中芯片时，就可能发生单粒子翻转，单粒子翻转能产生潜在的严重后果，包括信息丢失和功能失效，进而引发系统故障。因此，器件及其设计的抗单粒子翻转能力成为空间应用的研究热点。
举例来说，以半导体器件现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)为例，由于FPGA具有信息密度大、性能高、开发成本较低的特性，应用的越来越广泛。尤其是基于静态随机访问存储器SRAM(Static Random Access Memory)的FPGA，可以反复重配置，使得在非常短的时间内现场定制任意多次成为可能。但是基于SRAM型的FPGA对单粒子翻转效应十分敏感，如何评测FPGA本身的抗单粒子翻转能力成为了近年来的研究热点。
为了在地面上模拟空间中的单粒子翻转效应，主要采用辐射模拟(包括重离子辐射、质子注入等方法)和故障注入模拟的方法。这两种方法进行单粒子翻转效应模拟实验都需要搭建一个包含控制器及被测芯片的完善平台，但现有技术方案中并没有完善的对单粒子翻转效应进行模拟的装置和平台，从而无法有效的对半导体器件的抗单粒子翻转能力进行评测。
发明内容
本发明的目的是提供一种对空间应用数字信号处理器进行单粒子翻转效应模拟的装置，该装置以SRAM型FPGA作为模拟的被测芯片和控制器，从而实现单粒子翻转的辐射模拟和故障注入模拟，并且功能完善，能有效的对半导体器件的抗单粒子翻转能力进行评测。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种对空间应用数字信号处理器进行单粒子翻转效应模拟的装置，所述装置包括：
模拟核心模块，包括作为模拟控制器的现场可编程门阵列FPGA及其可编程只读存储器PROM芯片，用来插拔所述被测芯片FPGA及其PROM的插座；
所述模拟控制器，用于通过软件编程实现对所述插座上所插的被测芯片FPGA的回读和重配置，并在所述被测芯片FPGA运行过程中，对所述被测芯片FPGA的配置数据按照需要注入的故障类型进行修改，将修改后的配置数据动态重配置到所述被测芯片FPGA中，实现对所述被测芯片FPGA的单粒子翻转效应模拟。
所述装置还包括：
供电限流模块，具体由协议转换芯片、限流开关，及两片电源转换芯片组成，其中所述协议转换芯片传递上位机上电控制信号，通过所述限流开关控制所述两片电源转换芯片的上电，并由所述两片电源转换芯片来控制所述模拟控制器FPGA及其PROM芯片的上电。
所述装置还包括：
时钟模块，用于分别提供对应FPGA芯片的时钟，所述模拟控制器FPGA外连接晶振，且所述被测芯片FPGA外接晶振，所述晶振的输出频率均为20MHZ。
所述装置还包括：
温度检测模块，包含三片温度传感芯片，用于将三个位置的温度传输给所述模拟控制器FPGA。
所述装置还包括：
通信模块，具体包含协议转换芯片，该协议转换芯片按照串行通信协议对所述模拟控制器FPGA与上位机之间的通讯进行控制。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，所述装置包括模拟核心模块，具体包括作为模拟控制器的FPGA及其PROM芯片，用来插拔所述被测芯片FPGA及其PROM的插座；所述模拟控制器用于通过软件编程实现对所述插座上所插的被测芯片FPGA的回读和重配置，并在所述被测芯片FPGA运行过程中，对所述被测芯片FPGA的配置数据按照需要注入的故障类型进行修改，将修改后的配置数据动态重配置到所述被测芯片FPGA中，实现对所述被测芯片FPGA的单粒子翻转效应模拟。该装置以SRAM型FPGA作为模拟的被测芯片和控制器，从而实现单粒子翻转的辐射模拟和故障注入模拟，并且功能完善，能有效的对半导体器件的抗单粒子翻转能力进行评测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例所提供的对空间应用数字信号处理器进行单粒子翻转效应模拟的装置的结构示意图；
图2为本发明实施例所举具体实例中对空间应用数字信号处理器进行单粒子翻转效应模拟的装置的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1为本发明实施例所提供的对空间应用数字信号处理器进行单粒子翻转效应模拟的装置的结构示意图，在本发明实施例中，由于FPGA的可现场编程性，使得其可以作为原型机来模拟其他的数字信号处理器，本发明实施例采用基于SRAM型的FPGA作为模拟器件，当然本领域技术人员能够利用的其他可编程性半导体器件也是可以实现的。图1中包括：
模拟核心模块，包括作为模拟控制器的现场可编程门阵列FPGA及其可编程只读存储器PROM芯片，用来插拔所述被测芯片FPGA及其可编程只读存储器PROM(ProgrammableRead-Only Memory)的插座；
所述模拟控制器通过软件编程实现对所述插座上所插的被测芯片FPGA的回读和重配置，并在所述被测芯片FPGA运行过程中，对所述被测芯片FPGA的配置数据按照需要注入的故障类型进行修改，将修改后的配置数据动态重配置到所述被测芯片FPGA中，实现对所述被测芯片FPGA的单粒子翻转效应模拟。
另外，所述装置还包括：供电限流模块，具体由协议转换芯片、限流开关，及两片电源转换芯片组成，其中所述协议转换芯片传递上位机上电控制信号，通过所述限流开关控制所述两片电源转换芯片的上电，并由所述两片电源转换芯片来控制所述模拟控制器FPGA及其PROM芯片的上电。
时钟模块，用于分别提供对应FPGA芯片的时钟，所述模拟控制器FPGA外连接晶振，且所述被测芯片FPGA外接晶振，所述晶振的输出频率均为20MHZ。
温度检测模块，包含三片温度传感芯片，用于将三个位置的温度传输给所述模拟控制器FPGA。
通信模块，具体包含协议转换芯片，该协议转换芯片按照串行通信协议对所述模拟控制器FPGA与上位机之间的通讯进行控制。
下面以具体的实施例来进行说明，如图2所示为本发明实施例所举具体实例中对空间应用数字信号处理器进行单粒子翻转效应模拟的装置的电路结构示意图，图2中的模拟核心模块包括：作为模拟控制器的FPGA(D4)及其可编程只读存储器PROM(Programmable Read-Only Memory)(图中D3)芯片；用来插拔被测芯片FPGA及其PROM芯片的插座D8及D9，这里D8和D9为插座，是用来插拔被测芯片FPGA及其PROM芯片的，在以下的描述中，可以用D8和D9代表插座；用被测FPGA及其PROM来代表该插座上要插的被测芯片。
模拟控制器的FPGA(D4)通过软件编程实现对所述插座D8上所插的被测芯片FPGA的回读和重配置，并在所述被测芯片FPGA运行过程中，对所述被测芯片FPGA的配置数据按照需要注入的故障类型进行修改，再将修改后的配置数据动态重配置到所述被测芯片FPGA中，实现对所述被测芯片FPGA的单粒子翻转效应模拟。
在布线连接关系方面：所述模拟控制器的FPGA(D4)，PROM(D3)芯片，插座D8，插座D9的JTAG(Joint Test Action Group)管脚TCK(Test Clock)，TMS(TestMode Select)相连到JTAG插针排X1；TDI(Test Data In)和TDO(Test Data Out)相互间通过插针相连，连接方式为D9-D3-D4-D8，JTAG插针排外需接JTAG驱动。
所述模拟控制器的FPGA(D4)及其PROM(D3)芯片之间串行与SelectMap配置管脚互连，通过配置模式选择管脚接插针来选择不同的配置模式；
所述被测芯片FPGA的串行与SelectMap配置管脚和所述模拟控制器的FPGA(D4)相连，所述模拟控制器的FPGA(D4)和所述被测芯片FPGA的PROM的串行与SelectMap配置管脚相连，且相应的配置管脚上接有对应的上拉电阻，通过配置模式选择管脚接插针来选择不同的配置模式。
另外，该装置还包括供电限流模块，由一片协议转换芯片D1，一片限流开关N4，及两片电源转换芯片V2和V1组成，其中所述协议转换芯片D1传递上位机上电控制信号，通过所述限流开关N4控制所述两片电源转换芯片V1和V2的上电；
所述FPGA(D4)及其PROM(D3)芯片的上电直接由所述两片电源转换芯片控制；
通过限流开关N3及MOSFET晶体管Q3组成上电控制电路来控制D8和D9上所插的被测FPGA及其PROM的上电。具体来说，限流开关N3和MOSFET管Q3负责插座D9的3.3V供电，限流开关N1和MOSFET管Q1负责插座D8的3.3V供电，限流开关N2和MOSFET管Q2负责插座D8的1.5V供电。
另外，在具体实现过程中，所述装置还包括时钟模块，用于分别提供对应FPGA芯片的时钟，其中模拟控制器的FPGA(D4)外连接晶振G1，插座D8外接晶振G2，晶振输出频率均为20MHZ。
所述装置还包括温度检测模块，其中：
该温度检测模块包含三片温度传感芯片D7，D10，D11，用于将三个位置的温度传输给模拟控制器的FPGA(D4)。
所述装置还包括通信模块，该通信模块包含四片协议转换芯片D1，D2，D5，D12，按RS422串行通信协议与上位机通讯。除前面所述的协议转换芯片D1负责上电信号的通讯外，协议转换芯片D2，D5，D12均可对控制器FPGA(D4)与上位机的进行通讯控制。
在图1中：单粒子翻转效应模拟装置的控制器采用XILINX Virtex II系列FPGA(D4)，主要功能为实现被测芯片(即图1中在插座D8上的芯片)的上电、配置和回读控制，与上位机通讯，检测平台温度等功能。该控制器跟被测芯片连接丰富，可根据用户实际需要编写软件实现对被测芯片的故障注入和重配置控制、回读数据分析等其他功能。
该控制器FPGA(D4)的管脚配置情况如下：包含56个电源管脚。1个时钟管脚接接20M晶振G1提供电路时钟。3个模式选择管脚：M0，M1，M2连接至插排J1上可选择不同的配置模式。4个JTAG配置管脚。15个串行和SelectMap配置管脚。7个测试管脚。3个温度检测管脚。6个数据通信管脚。26个连接插座D8和插座D9的配置管脚。50个控制器FPGA(D4)与插座D8的连接管脚。
另外，所述装置配备的PROM(D3)芯片负责存储该控制器FPGA(D4)的配置数据。其和控制器FPGA(D4)之间串行与SeletMap接口均已连接，可通过控制器的配置模式选择管脚来选择配置方式。
被测芯片FPGA及其PROM(即插座D8和D9上所插的芯片)在板上配备了插座接口，可以随时更换。本实施例中，插座(D8和D9)和其上的被测芯片的管脚是一一对应，所说的管脚是插座的管脚，也是插座上所插芯片后的管脚。相应的配置管脚均已连接，被测PROM的串行配置管脚和SeletMap配置管脚与控制器FPGA(D4)的普通管脚相连，被测芯片FPGA的串行配置管脚和SeletMap配置管脚也与控制器FPGA(D4)的普通管脚相连，其配置方式可通过被测芯片FPGA的配置模式选择管脚来选择配置方式，配置数据传输线路为D9-D4-D9。可在控制器中软件编程实现被测芯片FPGA的重配置和数据回读。
整个装置可对模拟控制器FPGA(D4)进行相应软件编程实现被测FPGA芯片重配置和回读控制，故障注入实现等功能，以实现对所述被测芯片FPGA的单粒子翻转效应模拟。具体来说：
1)供电及限流功能
由一片协议转换芯片D1，一片限流开关N4，及两片电源转换芯片V2及V1组成，协议转换芯片D1传递上位机上电控制信号，信号发送给限流开关N4，控制V2和V1的上电，产生控制器FPGA(D4)及其PROM(D3)需要的3.3V和1.5V电压，直接给控制器FPGA(D4)及其PROM(D3)供电。通过设定限流开关的限流电阻值，可以设置限定电流值。
同时，3.3V电压还供给限流保护电路，由控制器FPGA(D4)来控制被测芯片FPGA及其PROM的供电；
2)单粒子闩锁(SEL)检测及限流保护功能
限流开关及MOSFET管组成上电控制电路控制被测芯片FPGA及其PROM的上电，其中限流开关N3和MOSFET管Q3负责插座D9的3.3V供电，限流开关N1和MOSFET管Q1负责插座D8的3.3V供电，限流开关N2和MOSFET管Q2负责插座D8的1.5V供电；
发生SEL时，对于整个器件而言，电流会增大。因此SEL判据为电流大于规定值，则记录为单粒子锁定。若通过供电通路的电流超过预定的门限，限流开关会输出高电平，导致MOSFET截止，负载供电电路被切断。且内部电压比较器为输出锁存型，一旦翻转，则输出高电平锁存，电路断开状态保持。
负载断电后，外部控制电路检测限流开关输出为高则可计为被检测器件出现SEL，统计一次，进行一段时间的等待后，进行重启操作，通过外部控制电路对限流开关电路复位，从而实现对负载重新加电。
3)通信与远程控制功能
使用协议转换芯片，与上位机的通信信号经协议转换芯片连接至31芯法兰，与外传输。板上共有四片协议转换芯片(D1，D2，D5，D12)，满足不同的通信要求。除前面所述的协议转换芯片D1负责上电信号通讯外，协议转换芯片D2，D5，D12可由用户在控制器中编程决定其传输信号的作用，跟上位机进行控制信号或数据的通讯。
4)温度检测功能
板上包含三片温度传感芯片(D7，D10，D11)，可以将三个位置的温度传输给控制器FPGA(D4)，进行温度实时检测/监控，防止试验过程中器件过热。
综上所述，本装置方便实现FPGA的重配置和回读，用户在此装置上通过设计控制器的软件程序，可对被测芯片的硬件及软件防护进行单粒子翻转辐射模拟和故障注入评测；也可利用FPGA的可编程性来模拟其他数字信号处理器如反熔丝型FPGA，进行软件防护设计及其验证；该装置设计上具有很大的灵活性，可方便对被测芯片进行更换，多插针的设计使芯片的配置方式更换更加灵活；该装置控制器及被测芯片间间距合适，方便对被测芯片进行辐射聚集而不影响控制器的工作；该装置还设计了多种外围电路，可实现远程通讯与控制、SEL检测及限流保护和温度检测功能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种对空间应用数字信号处理器进行单粒子翻转效应模拟的装置，其特征在于，所述装置包括：
模拟核心模块，包括作为模拟控制器的现场可编程门阵列FPGA及其可编程只读存储器PROM芯片，用来插拔所述被测芯片FPGA及其PROM的插座；
所述模拟控制器，用于通过软件编程实现对所述插座上所插的被测芯片FPGA的回读和重配置，并在所述被测芯片FPGA运行过程中，对所述被测芯片FPGA的配置数据按照需要注入的故障类型进行修改，将修改后的配置数据动态重配置到所述被测芯片FPGA中，实现对所述被测芯片FPGA的单粒子翻转效应模拟。
2.如权利要求1所述的对空间应用数字信号处理器进行单粒子翻转效应模拟的装置，其特征在于，所述装置还包括：
供电限流模块，具体由协议转换芯片、限流开关，及两片电源转换芯片组成，其中所述协议转换芯片传递上位机上电控制信号，通过所述限流开关控制所述两片电源转换芯片的上电，并由所述两片电源转换芯片来控制所述模拟控制器FPGA及其PROM芯片的上电。
3.如权利要求1所述的对空间应用数字信号处理器进行单粒子翻转效应模拟的装置，其特征在于，所述装置还包括：
时钟模块，用于分别提供对应FPGA芯片的时钟，所述模拟控制器FPGA外连接晶振，且所述被测芯片FPGA外接晶振，所述晶振的输出频率均为20MHZ。
4.如权利要求1所述的对空间应用数字信号处理器进行单粒子翻转效应模拟的装置，其特征在于，所述装置还包括：
温度检测模块，包含三片温度传感芯片，用于将三个位置的温度传输给所述模拟控制器FPGA。
5.如权利要求1所述的对空间应用数字信号处理器进行单粒子翻转效应模拟的装置，其特征在于，所述装置还包括：
通信模块，具体包含协议转换芯片，该协议转换芯片按照串行通信协议对所述模拟控制器FPGA与上位机之间的通讯进行控制。
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