CN103529380B

CN103529380B - Sram型fpga单粒子功能性中断的监测系统及方法

Info

Publication number: CN103529380B
Application number: CN201210236204.6A
Authority: CN
Inventors: 王群勇; 冯颖; 阳辉; 陈冬梅; 陈宇; 刘燕芳; 白桦
Original assignee: BEIJING SAN-TALKING TESTING ENGINEERING ACADEMY Co Ltd
Current assignee: BEIJING SAN-TALKING TESTING ENGINEERING ACADEMY Co Ltd
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2032-07-06
Also published as: CN103529380A

Abstract

本发明公开了一种SRAM型FPGA单粒子功能性中断的监测系统及方法，涉及单粒子领域。所述方法包括：设置初始LET值的重离子束流对试验板进行辐照；B：判断试验板是否出现单粒子功能性中断现象，如果是，记录试验板发生一次单粒子功能性中断；否则，认为试验板未发生单粒子功能性中断；C：判断试验板是否满足以下条件：单粒子功能性中断的次数达到预定次数，或者入射粒子总注量达到预定注量；如果是，执行步骤D；否则，执行步骤B；D：判断是否可以拟合得到σ~LET曲线，如果是，拟合得到σ~LET曲线；否则，调整重离子束流的LET值，执行步骤B。所述系统及方法，可以对FPGA在各种空间环境中的SEFI率进行预测。

Description

SRAM型FPGA单粒子功能性中断的监测系统及方法

技术领域

本发明涉及单粒子监测技术领域，特别涉及一种SRAM（静态随机存储器）型FPGA单粒子功能性中断的监测系统及方法。

背景技术

FPGA（Field－ProgrammableGateArray，即现场可编程门阵列）在空间辐射环境下易遭受TID效应（总剂量效应）、SEE效应（单粒子效应）等效应的影响。SEFI（单粒子功能性中断）是指质子或重离子入射时引起器件的控制逻辑出现故障，进而中断正常的控制功能，表现为单个高能粒子入射FPGA后，导致FPGA器件自动复位重启、不能配置、不能回读等现象。

目前美欧等国家和地区的FPGA生产制造技术在国际上遥遥领先，主要的FPGA生产公司在推出通用的高性能FPGA的同时，也对抗辐射器件(如单粒子翻转、单粒子功能性中断等方面)投入了巨大的科研力度，这些公司不仅开发出多代军品级别产品，还生产出经过严格抗辐射性能研究的专用于空间技术的FPGA。

随着我国航天空间工程取得巨大成功，我国已跻身空间技术大国的行列，与此同时由于空间技术发展的需要，我国也越来越关注以FPGA为代表的高端IC在空间领域应用的可靠性和安全性。而国内的FPGA技术和单粒子研究比国际先进水平还有很大的提升空间。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种SRAM型FPGA单粒子功能性中断的监测系统及方法，以监测和记录FPGA发生单粒子功能性中断的状态，进而有效避免器件出现功能中止。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种SRAM型FPGA单粒子功能性中断的监测系统，其包括：试验板、效应测试单元和远程监测单元；

所述试验板，采用FPGA，放置在真空靶室内，用于接收辐照；

所述效应测试单元，设置在所述真空靶室外部，连接所述试验板，用于监测所述试验板的单粒子功能性中断现象；

所述远程监测单元，连接所述效应测试单元，用于远程控制所述效应测试单元。

优选地，所述真空靶室为T4真空靶室。

优选地，所述试验板通过真空转接头连接所述效应测试单元。

优选地，所述远程监测单元通过50米网线连接所述效应测试单元。

本发明还提供一种SRAM型FPGA单粒子功能性中断的监测方法，其包括步骤：

A：设置初始LET值的重离子束流对试验板进行辐照；

B：调整所述试验板的状态，判断所述试验板是否出现以下现象：

监测电流增大，出现功能丢失，在未断电的情况下重新加载配置程序后功能回读正常；或者，

监测电流正常，出现所述功能丢失，在未断电或者断电的情况下重新加载配置程序后功能回读正常；

如果是，记录所述试验板发生一次单粒子功能性中断；否则，认为所述试验板未发生单粒子功能性中断；

C：判断所述试验板是否满足以下条件：单粒子功能性中断的次数达到预定次数，或者入射粒子总注量达到预定注量；如果是，执行步骤D；否则，执行步骤B；

D：判断根据试验结果是否可以拟合得到σ~LET曲线，如果是，拟合得到σ~LET曲线，结束流程；否则，调整重离子束流的LET值，然后执行步骤B。

优选地，所述步骤A中，所述试验板被设置在T4真空靶室内接受辐照。

优选地，所述步骤B中，所述试验板的状态包括静态和动态两种。

优选地，所述步骤B中，所述功能丢失包括：上电复位功能丢失，和/或SelectMAP端口的读或者写功能丢失，和/或帧地址寄存器功能丢失，和/或全局信号功能丢失，和/或回读功能丢失，和/或擦洗功能丢失。

优选地，所述步骤C中，所述预定次数为100次。

优选地，所述步骤C中，所述预定注量为10⁷ions/cm²。

（三）有益效果

本发明的所述SRAM型FPGA单粒子功能性中断的监测系统及方法，通过重离子束流对试验板进行辐照，并且采用计算机监测试验板出现单粒子功能性中断的现象，然后拟合得到σ~LET曲线，进而可以对FPGA在各种空间环境中的SEFI率进行预测，能够有效避免器件在空间辐射环境下出现功能中止，在航天领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例所述SRAM型FPGA单粒子功能性中断的监测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例所述SRAM型FPGA单粒子功能性中断的监测方法流程图；

图3是σ~LET曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明实施例所述SRAM型FPGA单粒子功能性中断的监测系统的结构示意图，如图1所示，所述系统包括：试验板100、真空靶室200、效应测试单元400和远程监测单元500。

具体地，所述试验板100，放置在真空靶室200内；在所述真空靶室200内部，所述试验板100通过电缆连接设置在所述真空靶室200侧壁上的所述真空转接头300；所述真空转接头300进一步通过电缆连接设置在所述真空靶室200外部的所述效应测试单元400；所述效应测试单元400通过50米长的网线连接所述远程监测单元500。

所述试验板100采用FPGA，用于接收辐照。

所述真空靶室200采用T4真空靶室，用于对所述试验板100进行辐照。

所述效应测试单元400，用于监测所述试验板100的单粒子功能性中断现象。

所述远程监测单元500，用于远程控制所述效应测试单元400。

图2是本发明实施例所述SRAM型FPGA单粒子功能性中断的监测方法流程图，如图2所示，所述方法利用所述系统实施，具体包括步骤：

A：设置初始LET（线性能量传递）值的重离子束流对试验板进行辐照。所述重离子束流的注量、注量率、辐照面积和均匀度等均在规范范围内。所述试验板100采用FPGA。

如果是，记录所述试验板发生一次单粒子功能性中断；否则，认为所述试验板未发生单粒子功能性中断。

其中，所述试验板的状态包括静态和动态两种。

静态试验主要是在不加载时钟的情况下考核FPGA对单粒子功能性中断的敏感性。

动态试验主要针对器件内部单粒子瞬态的影响，一般在辐照前将器件配置为自测试电路，辐照期间器件处在动态工作状态下，考核功能模块在工作状态下对单粒子效应的敏感性。动态试验另一目的是考核数据时钟管理器、数据信号处理器，处理器等功能模块在工作状态下对单粒子效应的敏感性，在辐照期间，对其进行功能测试并观察是否存在扰动或单粒子功能性中断事件。在获得准确的单粒子截面后，用户可根据各因素的权衡后，设计单粒子效应减缓措施，如三模冗余、定期擦写、看门狗定时器及管理电路等。

针对不同型号的FPGA，其单粒子功能性中断的表征和监测是不同的，一般情况，FPGA的单粒子功能性中断主要指配置控制逻辑、通信逻辑和各种其它的全局逻辑控制电路等模块发生功能故障，主要包括六种：上电复位(POR：poweronreset)功能丢失；SelectMAP端口的读或者写功能丢失；帧地址寄存器（FAR：FrameAddressRegister）功能丢失；全局信号（GlobalSignal）功能丢失；回读（Readback）功能丢失；擦洗（Scrub）功能丢失。

具体地，所述六种功能丢失的现象及表征如下：

上电复位功能丢失，会造成所有内部存储单元全局重启和所有程序以及状态数据丢失。这种现象会被记录，被测设备的电流值将会瞬间降到初始值，是一种不常见的大面积回读错误和所有配置功能丢失。

SelectMAP端口的读或者写功能丢失，这种功能丢失可以从取回无意义的数据或者不能更新数据中显示出来；在一些情形中，可以通过使用JTAG（联合测试行动组）端口来激活控制寄存器或者修正错误；在剩下的其它情形中，需要一个完整的重新配置来再次获得全部的端口访问功能。

帧地址寄存器功能丢失，可以造成帧地址寄存器持续不断地增加非可控性。这种功能丢失可以通过不能进行读/写帧地址寄存器中的控制值来观察到。

全局信号功能丢失，这些信号包括GSR（全局设置/重置）,GWE_B(全局写能力)，GHIGH_B（全局高驱动）等信号。它们都可以通过状态寄存器或者控制寄存器观察到。其中一部分可以被擦洗，其它需要重新配置。

回读功能丢失发生时，一部分回读数据被紊乱且不能被修正。这种情形是由于使用GLUTMASK导致的，它能使SRL16S的使用和部分重新配置连接起来。如果GLUTMASK不能被调用，这种情况不会发生。虽然这些比特位不会影响配置设计的运行，这种情况将会导致观察到SMAP（业务管理接入点）SEFI的SEFI运算错误，因为翻转位不能通过部分重新配置修正。

擦洗功能丢失，看上去是由于一个紊乱翻转导致的正被擦洗进入被测设备的数据流的结果。这种功能丢失可以明显地中断设计运行，同时伴随者一些大电流。

FPGA的单粒子功能性中断监测是通过回读逻辑电路的控制寄存器的数据，与预定相比较，如果不一致，则判断发生了单粒子功能性中断，这些控制寄存器的bit数都很小，所以单粒子效应的截面也非常小，在试验期间，尽量调大离子注量，一般注量达到10⁷ions/cm²可以结束试验。

C：判断所述试验板是否满足以下条件：单粒子功能性中断的次数达到预定次数，或者入射粒子总注量达到预定注量；如果是，执行步骤D；否则，执行步骤B。所述预定次数优选为100次。所述预定注量为10⁷ions/cm²。如果入射粒子总注量达到预定注量，但是未出现单粒子功能性中断，则认为在当前LET值的重离子束流下，试验板不敏感。

D：判断根据试验结果是否可以拟合得到σ~LET（区域面积-线性能量传递）曲线，如果是，拟合得到σ~LET曲线，结束流程；否则，调整重离子束流的LET值，然后执行步骤B。图3是σ~LET曲线示意图，如图3所示，所述σ~LET曲线可以采用WeiBull软件根据试验结果拟合获得，根据所述σ~LET曲线，同时结合空间辐射环境模型，可以预测FPGA在各种空间环境中的SEFI率。

本发明实施例所述SRAM型FPGA单粒子功能性中断的监测系统及方法，通过重离子束流对试验板进行辐照，并且采用计算机监测试验板出现单粒子功能性中断的现象，然后拟合得到σ~LET曲线，进而可以对FPGA在各种空间环境中的SEFI率进行预测，能够有效避免器件在空间辐射环境下出现功能中止，在航天领域具有广泛的应用前景。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种SRAM型FPGA单粒子功能性中断的监测系统，其特征在于，包括：试验板、效应测试单元和远程监测单元；

所述试验板，采用FPGA，放置在真空靶室内，用于接收辐照；

所述效应测试单元，设置在所述真空靶室外部，连接所述试验板，用于监测所述试验板的单粒子功能性中断现象，具体为：

调整所述试验板的状态，判断所述试验板是否出现以下现象：

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述真空靶室为T4真空靶室。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述试验板通过真空转接头连接所述效应测试单元。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述远程监测单元通过50米网线连接所述效应测试单元。

5.一种SRAM型FPGA单粒子功能性中断的监测方法，其特征在于，包括步骤：

A：设置初始LET值的重离子束流对试验板进行辐照；

D：判断根据试验结果是否可以拟合得到σ～LET曲线，如果是，拟合得到σ～LET曲线，结束流程；否则，调整重离子束流的LET值，然后执行步骤B。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤A中，所述试验板被设置在T4真空靶室内接受辐照。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤B中，所述试验板的状态包括静态和动态两种。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤B中，所述功能丢失包括：上电复位功能丢失，和/或SelectMAP端口的读或者写功能丢失，和/或帧地址寄存器功能丢失，和/或全局信号功能丢失，和/或回读功能丢失，和/或擦洗功能丢失。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤C中，所述预定次数为100次。

10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤C中，所述预定注量为10⁷ions/cm²。