CN102636744B - 一种检测fpga单粒子效应与其时序特性关系的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测FPGA单粒子效应与其时序特性关系的装置，包括FPGA测试电路、时序控制电路和上位机控制模块；其中，时序控制电路连接到FPGA测试电路，FPGA测试电路连接到上位机控制模块；在测试过程中，FPGA测试电路、时序控制电路分别与被测FPGA相连，而时序控制电路还要连接到单粒子效应试验装置上；时序控制电路生成用于被测FPGA的工作时序控制信号以及用于单粒子效应试验装置的辐射时序控制信号；FPGA测试电路用于保存被测FPGA的配置数据，并实现配置数据在被测FPGA上的配置与回读；还用于与被测FPGA以及上位机控制模块的数据传输，以及对时序控制电路的触发；上位机控制模块用于控制FPGA测试电路，对在不同工作状态下被测FPGA的配置数据、工作数据分别加以比较。

Description

一种检测FPGA单粒子效应与其时序特性关系的装置及方法

技术领域

本发明涉及航天技术领域，特别涉及一种检测FPGA单粒子效应与其时序特性关系的装置及方法。

背景技术

单粒子效应(Single event effect)，又称单事件效应，是指高能带电粒子在器件的灵敏区内产生大量带电粒子的现象。当能量足够大的粒子射入集成电路时，由于电离效应(包括次级粒子的)，集成电路会产生数量极多的电离空穴——电子对，引起半导体器件的软错误，使逻辑器件和存储器产生单粒子翻转，使CMOS器件产生单粒子闭锁，甚至出现单粒子永久损伤的现象。

航天器在空间中飞行时，会一直处在带电粒子构成的辐射环境中。空间辐射环境中的高能质子、α粒子和重离子等都能导致航天器电子系统中的半导体器件发生单粒子效应，严重影响航天器的可靠性和寿命。即使带电粒子在航天器电子系统中产生的是瞬时扰动或软错误，对某些应用系统而言，可能也是致命的，如微处理器、FPGA等会因为单粒子扰动而中断正常功能，这很有可能会导致灾难性的事故。国内外的航天实践表明，因各种原因造成的航天器故障中，单粒子效应引起的约占38％，是诱发航天器异常的主要辐射效应之一。特别是随着半导体工艺尺寸的不断缩小，国内外的地面模拟试验也证实，大气中子也会导致航空和地面电子系统中的FPGA、SRAM等芯片发生单粒子效应。

基于SRAM的FPGA在发明之后，由于其可编程、可动态配置、灵活性高等优点，得到了迅速的大规模应用。但随着芯片工艺尺寸的减小，其在外太空高能粒子或大气中子的作用下，单粒子效应发生频次逐步增加，给基于FPGA的电子系统的可靠性应用提出了极大的挑战。因此，必须在对FPGA单粒子效应进行全面测试的基础上，采用有效的防护设计方法，并经过后续试验验证，才能最大限度地保证电子系统免受单粒子效应的危害。而开发有效的FPGA单粒子效应测试方法及装置，必然是开展相应单粒子效应试验测试、防护设计方法研究和加固措施验证试验的前提和基础。

在已有的专利申请中，只涉及到了FPGA单粒子翻转效应的检测，如由中国人民解放军国防科技大学申请的名称为“现场可编程逻辑门阵列中单粒子翻转的检测方法及装置”、申请号为“200910043425.X”的中国专利申请，提出了一种基于FPGA配置帧回读方式的单粒子翻转检测方法，但并未提及FPGA内部逻辑功能的时序特性对单粒子效应的影响。而随着FPGA工作频率的提高，芯片的工作时序对单粒子效应的测试、防护及其验证试验提出了新的要求。因此，必须基于FPGA内部逻辑功能的时序特性来研究其单粒子效应，才能全面揭示其单粒子效应的危害，从而设计相应防护方法提高其应用可靠性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术无法检测FPGA单粒子效应与其时序特性关系的缺陷，从而提出了一种检测装置与检测方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种检测FPGA单粒子效应与其时序特性关系的装置，包括FPGA测试电路11、时序控制电路12和上位机控制模块13；其中，

所述的时序控制电路12连接到所述的FPGA测试电路11，所述的FPGA测试电路11连接到所述的上位机控制模块13；在测试过程中，所述的FPGA测试电路11、时序控制电路12分别与外部的被测FPGA 14相连，而所述的时序控制电路12还要连接到外部的单粒子效应试验装置15上；

所述的时序控制电路12生成用于所述被测FPGA 14的工作时序控制信号以及用于所述单粒子效应试验装置15的辐射时序控制信号；

所述的FPGA测试电路11用于保存所述被测FPGA 14的配置数据，并实现所述配置数据在所述被测FPGA14上的配置与回读；还用于与所述被测FPGA 14以及上位机控制模块13的数据传输，以及对所述时序控制电路12的触发；

所述的上位机控制模块13用于控制所述FPGA测试电路11，以及对在不同工作状态下被测FPGA 14的配置数据、工作数据分别加以比较。

上述技术方案中，所述的FPGA测试电路11包括主控FPGA21、Flash存储器22和USB接口芯片23；其中，

所述的USB接口芯片23用于实现所述主控FPGA21和所述上位机控制模块13之间的通信；所述的Flash存储器22用于存储被测FPGA 14的配置数据；所述的主控FPGA 21所实现的控制功能包括：实现对被测FPGA14的配置和回读，与被测FPGA14实现功能上的数据传输，触发时序控制电路12；将被测FPGA14所生成的实验数据传送到上位机控制模块13。

上述技术方案中，所述的时序控制电路12包括第一脉冲发生器31、第二脉冲发生器32、试验装置接口电路33和延迟器34；其中，

所述第一脉冲发生器31产生实验所需的辐照时序控制信号，用于控制所述单粒子效应辐照试验装置15的辐照状态；所述的试验装置接口电路33用于对所述第一脉冲发生器31做电平转换；所述第二脉冲发生器32产生被测FPGA14的工作时序信号，以控制所述被测FPGA14的工作状态；所述延迟器34用于抵消两路时序控制信号之间的时间差。

上述技术方案中，所述的上位机控制模块13包括FPGA配置、回读、比较功能单元，以及FPGA输出数据采集分析单元；

所述的FPGA配置、回读、比较功能单元向所述FPGA测试电路11中的主控FPGA21发出控制命令，由所述主控FPGA 21将保存在所述Flash存储器22中的配置数据配置到被测FPGA14上以及从被测FPGA14回读配置数据；对回读得到的配置数据与原始的配置数据进行比较，根据比较结果分析数据的异同；

所述的FPGA输出数据采集分析单元向FPGA测试电路11中的主控FPGA 21发出控制命令，由所述主控FPGA21触发时序控制电路12，以及通过FPGA测试电路11采集被测FPGA 14所输出的数据；对被测FPGA 14在正常条件下工作时所产生的数据与在辐照条件下工作时产生的数据进行比较、分析。

本发明还提供了一种应用于所述的检测FPGA单粒子效应与其时序特性关系的装置的方法，包括：

步骤1)、设置FPGA测试电路11，将预先生成的被测FPGA14的配置数据文件写入所述FPGA测试电路11的Flash存储器22，并配置主控FPGA11和USB接口芯片13；

步骤2)、设置时序控制电路12，使其能生成被测FPGA工作时序控制信号和辐照时序控制信号；

步骤3)、所述上位机控制模块13发送指令从所述Flash存储器22读出配置数据，并写入被测FPGA14的配置位；

步骤4)、所述上位机控制模块13发送指令以触发时序控制电路12；

步骤5)、所述被测FPGA14开始工作，并受到外部的单粒子效应试验装置15所产生的同步辐照，上位机控制模块13通过所述FPGA测试电路11收到所述被测FPGA14在辐射条件下工作时的输出数据；

步骤6)、所述上位机控制模块13将步骤5)中得到的数据与被测FPGA正常工作条件下的输出数据进行比较，计算功能数据错误率；

步骤7)、回读被测FPGA的配置数据至所述上位机控制模块13；

步骤8)、所述上位机控制模块13将步骤7)中得到的回读数据与原始配置数据进行比较，计算配置数据错误率；

步骤9)、所述上位机控制模块13对步骤6)得到的功能数据错误率和步骤8)中所得到的配置数据错误率进行比较分析，评估该时序条件下单粒子效应对被测FPGA14功能的影响；

步骤10)、更改步骤2)中所设置的辐照时序控制信号，改变其与被测FPGA工作时序控制信号之间的对应关系，然后重复上述试验步骤3)-步骤9)，得到当前时序条件下的实验结果；

步骤11)、根据需要生成多个时序条件下的实验结果，综合这些实验结果，分析被测FPGA在多个工作时间或工作状态下受辐照的单粒子效应表现，计算配置数据错误率和功能数据错误率随辐照时序的变化关系，从而评估其危害。

本发明的优点在于：

1.本发明的检测FPGA单粒子效应与其时序特性关系的方法及装置将单粒子效应试验的辐照时序与被测FPGA的工作时序同步，实现对被测FPGA不同工作时间段的可控辐照测试，从而研究被测FPGA在不同工作时间或工作状态下的单粒子效应。

2.本发明的检测FPGA单粒子效应与其时序特性关系的方法及装置将所有试验数据都保存至上位机，方便查找分析，数据分析过程也在上位机完成，更直观可靠，并能有效节约主控FPGA的资源和功耗。

3.本发明的检测FPGA单粒子效应与其时序特性关系的方法及装置具有结构简单、成本低廉、操作方便的特点。

附图说明

图1是在一个实施例中，本发明的检测FPGA单粒子效应与其时序特性关系的装置的结构图；

图2是在一个实施例中，本发明的检测FPGA单粒子效应与其时序特性关系的装置中的FPGA测试电路的结构示意图；

图3是在一个实施例中，本发明的检测FPGA单粒子效应与其时序特性关系的装置中的时序控制电路的结构示意图；

图4是在一个实施例中，本发明的检测FPGA单粒子效应与其时序特性关系的装置中的上位机控制模块的功能示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

在图1中，给出了在一个实施例中，本发明的检测FPGA单粒子效应与其时序特性关系的装置的结构图，该装置包括FPGA测试电路11、时序控制电路12和上位机控制模块13；其中，所述的时序控制电路12连接到所述的FPGA测试电路11，而所述的FPGA测试电路11则连接到所述的上位机控制模块13。在测试过程中，所述的FPGA测试电路11、时序控制电路12分别与外部的被测FPGA 14相连，而所述的时序控制电路12还要连接到外部的单粒子效应试验装置15上。

下面对本发明的装置中的各个部件做进一步的说明。

参考图2，本发明的FPGA测试电路11包括主控FPGA 21、Flash存储器22和USB接口芯片23；其中，USB接口芯片23用于实现主控FPGA 21和所述上位机控制模块13的通信，包括接收所述上位机控制模块13发出的指令和向上位机控制模块13传输试验数据。Flash存储器22用于存储被测FPGA 14的配置数据，在接收到配置指令后，Flash存储器22所存储的配置数据通过主控FPGA21配置到被测FPGA14。主控FPGA21通过接收上位机控制模块13所发出的指令实现控制功能，所述的控制功能包括：

1.通过被测FPGA14的SelectMAP接口方式(为被测FPGA的一种配置方式)实现对被测FPGA的配置和回读；

2.与被测FPGA 14实现和所述被测FPGA的功能有关的数据传输，其中所述的“功能”由用户设定，通过配置数据实现。例如使被测FPGA实现一个编码器的功能，则主控FPGA21向被测FPGA 14发送一串数据，通过编码后再读取回来；

3.触发时序控制电路12；

4.将被测FPGA 14所生成的实验数据传送到上位机控制模块13。

如图3所示，时序控制电路12包括第一脉冲发生器31、第二脉冲发生器32、试验装置接口电路33和延迟器34。第一脉冲发生器31产生试验所需的辐照时序控制信号，用于控制单粒子效应辐照试验装置(一般为重离子加速器或脉冲激光辐照装置)的辐照状态，由于第一脉冲发生器31产生的信号与单粒子效应试验装置15的控制信号电平要求不匹配，因此需要所述的试验装置接口电路33进行电平转换。第二脉冲发生器32产生被测FPGA的工作时序信号，用于控制被测FPGA的工作状态，其后需要延迟器34用于抵消两路时序控制信号之间固有的时间差。两个脉冲发生器用同一时钟信号进行同步，在收到FPGA测试电路11发来的触发信号后开始工作。

如图4所示，本发明的上位机控制模块13包括两大功能，一是对被测FPGA中的配置数据的处理，由FPGA配置、回读、比较功能单元完成这一功能；二是被测FPGA在工作时所输出的数据的处理，由FPGA输出数据采集分析单元完成这一功能。对被测FPGA中的配置数据的处理包括：向FPGA测试电路11中的主控FPGA21发出控制命令，由主控FPGA21将保存在Flash存储器22中的配置数据配置到被测FPGA14上以及从被测FPGA14回读配置数据；对回读得到的配置数据与原始的配置数据进行比较，根据比较结果分析数据的异同。对被测FPGA在工作时所输出的数据的处理包括：向FPGA测试电路11中的主控FPGA21发出控制命令，由主控FPGA21触发时序控制电路，以及通过FPGA测试电路11采集被测FPGA14所输出的数据；对被测FPGA14在正常条件下工作时所产生的数据与在辐照条件下工作时产生的数据进行比较、分析。

以上是对本发明的检测FPGA单粒子效应与其时序特性关系的装置的说明，下面对以该装置为基础的方法的相关步骤描述如下：

(1)设置FPGA测试电路11，将预先生成的被测FPGA14的配置数据文件烧入FPGA测试电路11的Flash存储器22，配置主控FPGA11使其能够实现控制功能，配置USB接口芯片13使其能够实现数据传输功能；

(2)设置时序控制电路12，使其能生成合适的被测FPGA工作时序控制信号和辐照时序控制信号；

(3)上位机控制模块13发送指令从Flash存储器22读出配置数据，通过SelectMAP模式写入被测FPGA14配置位；

(4)上位机控制模块13发送指令以触发时序控制电路12；

(5)被测FPGA开始工作，并受到外部的单粒子效应试验装置15所产生的同步辐照，上位机控制模块13通过FPGA测试电路11收到被测FPGA14在辐射条件下工作时的输出数据；

(6)上位机控制模块13将(5)中得到的数据与被测FPGA正常工作(不辐照)条件下的输出数据进行比较，计算功能数据错误率；

(7)回读被测FPGA的配置数据至上位机控制模块13；

(8)上位机控制模块13将(7)中得到的回读数据与原始配置数据进行比较，计算配置数据错误率；

(9)上位机控制模块13对(6)和(8)中所得到的两组数据的比较结果(错误率)进行比较分析，计算功能数据错误与配置数据错误的比率，从而评估该时序条件下单粒子效应对被测FPGA功能的影响，比率越大，说明此时发生单粒子效应对FPGA功能的危害越大。

本步骤中所提到的时序条件是指辐照时序与被测FPGA的工作时序之间的对应关系。

(10)更改(2)中辐照时序控制信号，改变其与被测FPGA工作时序控制信号之间的对应关系，然后重复上述试验步骤(3)-(9)，得到当前时序条件下的实验结果；

(11)根据需要生成多个时序条件下的实验结果，综合这些实验结果，分析被测FPGA在不同工作时间或工作状态下受辐照的单粒子效应表现，计算配置数据错误率和功能数据错误率随辐照时序的变化关系，从而评估其危害。例如对于一个实现编码器功能的被测FPGA进行试验，分别在编码前数据输入时、编码中数据处理时及编码后数据输出时进行辐照试验，分别计算三次试验的功能数据错误与配置数据错误的比率，从而判断这三个时段发生单粒子效应对FPGA功能的影响。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种检测FPGA单粒子效应与其时序特性关系的装置，其特征在于，包括FPGA测试电路（11）、时序控制电路（12）和上位机控制模块（13）；其中，

所述的时序控制电路（12）连接到所述的FPGA测试电路（11），所述的FPGA测试电路（11）连接到所述的上位机控制模块（13）；在测试过程中，所述的FPGA测试电路（11）、时序控制电路（12）分别与外部的被测FPGA（14）相连，而所述的时序控制电路（12）还要连接到外部的单粒子效应试验装置（15）上；

所述的时序控制电路（12）生成用于所述被测FPGA（14）的工作时序控制信号以及用于所述单粒子效应试验装置（15）的辐射时序控制信号；

所述的FPGA测试电路（11）用于保存所述被测FPGA（14）的配置数据，并实现所述配置数据在所述被测FPGA（14）上的配置与回读；还用于与所述被测FPGA（14）以及上位机控制模块（13）的数据传输，以及对所述时序控制电路（12）的触发；

所述的上位机控制模块（13）用于控制所述FPGA测试电路（11），以及对在不同工作状态下被测FPGA（14）的配置数据、工作数据分别加以比较。

2.根据权利要求1所述的检测FPGA单粒子效应与其时序特性关系的装置，其特征在于，所述的FPGA测试电路（11）包括主控FPGA（21）、Flash存储器（22）和USB接口芯片（23）；其中，

所述的USB接口芯片（23）用于实现所述主控FPGA（21）和所述上位机控制模块（13）之间的通信；所述的Flash存储器（22）用于存储被测FPGA（14）的配置数据；所述的主控FPGA（21）所实现的控制功能包括：实现对被测FPGA（14）的配置和回读，与被测FPGA（14）实现功能上的数据传输，触发时序控制电路（12）；将被测FPGA（14）所生成的实验数据传送到上位机控制模块（13）。

3.根据权利要求1所述的检测FPGA单粒子效应与其时序特性关系的装置，其特征在于，所述的时序控制电路（12）包括第一脉冲发生器（31）、第二脉冲发生器（32）、试验装置接口电路（33）和延迟器（34）；其中，

所述第一脉冲发生器（31）产生实验所需的辐照时序控制信号，用于控制所述单粒子效应试验装置（15）的辐照状态；所述的试验装置接口电路（33）用于对所述第一脉冲发生器（31）做电平转换；所述第二脉冲发生器（32）产生被测FPGA（14）的工作时序信号，以控制所述被测FPGA（14）的工作状态；所述延迟器（34）用于抵消两路时序控制信号之间的时间差。

4.根据权利要求2所述的检测FPGA单粒子效应与其时序特性关系的装置，其特征在于，所述的上位机控制模块（13）包括FPGA配置、回读、比较功能单元，以及FPGA输出数据采集分析单元；

所述的FPGA配置、回读、比较功能单元向所述FPGA测试电路（11）中的主控FPGA（21）发出控制命令，由所述主控FPGA（21）将保存在所述Flash存储器（22）中的配置数据配置到被测FPGA（14）上以及从被测FPGA（14）回读配置数据；对回读得到的配置数据与原始的配置数据进行比较，根据比较结果分析数据的异同；

所述的FPGA输出数据采集分析单元向FPGA测试电路（11）中的主控FPGA（21）发出控制命令，由所述主控FPGA（21）触发时序控制电路（12），以及通过FPGA测试电路（11）采集被测FPGA（14）所输出的数据；对被测FPGA（14）在正常条件下工作时所产生的数据与在辐照条件下工作时产生的数据进行比较、分析。

5.一种应用于权利要求1-4任意之一所述的检测FPGA单粒子效应与其时序特性关系的装置的方法，包括：

步骤1）、设置FPGA测试电路（11），将预先生成的被测FPGA（14）的配置数据文件写入所述FPGA测试电路（11）的Flash存储器（22），并配置主控FPGA（11）和USB接口芯片（13）；

步骤2）、设置时序控制电路（12），使其能生成被测FPGA工作时序控制信号和辐照时序控制信号；

步骤3）、所述上位机控制模块（13）发送指令从所述Flash存储器（22）读出配置数据，并写入被测FPGA（14）的配置位；

步骤4）、所述上位机控制模块（13）发送指令以触发时序控制电路（12）；

步骤5）、所述被测FPGA（14）开始工作，并受到外部的单粒子效应试验装置（15）所产生的同步辐照，上位机控制模块（13）通过所述FPGA测试电路（11）收到所述被测FPGA（14）在辐射条件下工作时的输出数据；

步骤6）、所述上位机控制模块（13）将步骤5）中得到的数据与被测FPGA正常工作条件下的输出数据进行比较，计算功能数据错误率；

步骤7）、回读被测FPGA的配置数据至所述上位机控制模块（13）；

步骤8）、所述上位机控制模块（13）将步骤7）中得到的回读数据与原始配置数据进行比较，计算配置数据错误率；

步骤9）、所述上位机控制模块（13）对步骤6）得到的功能数据错误率和步骤8）中所得到的配置数据错误率进行比较分析，评估该时序条件下单粒子效应对被测FPGA（14）功能的影响；

步骤10）、更改步骤2）中所设置的辐照时序控制信号，改变其与被测FPGA工作时序控制信号之间的对应关系，然后重复上述试验步骤3）—步骤9），得到当前时序条件下的实验结果；

步骤11）、根据需要生成多个时序条件下的实验结果，综合这些实验结果，分析被测FPGA在多个工作时间或工作状态下受辐照的单粒子效应表现，计算配置数据错误率和功能数据错误率随辐照时序的变化关系，从而评估其危害。

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