CN103777135B - Fpga单粒子闩锁监测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种FPGA单粒子闩锁监测方法及装置，具体包括：使用重离子束流辐照FPGA，监测FPGA的工作电流，当所述工作电流超过规定值时，对FPGA进行重新配置；若上述重新配置失败，则对FPGA进行断电重启，重新加载程序；若上述重新加载程序成功，则记录一次单粒子闩锁。该方法能实时监测器件的工作电流，有利于FPGA单粒子闩锁的判断，同时，由于采用了计算机控制的可编程电源，具有保护被试器件的作用。

Description

FPGA单粒子闩锁监测方法及装置
技术领域
本发明涉及测试技术领域，具体涉及一种受到重离子辐照的SRAM型FPGA的单粒子闩锁的监测方法及装置。
背景技术
在卫星和空间环境中，越来越多的使用到SRAM（StaticRandomAccessMemory）型FPGA（Field-ProgrammableGateArray）。SRAM型FPGA（以下简称FPGA）在空间环境中可能发生的主要单粒子效应包括：单粒子闩锁（SEL）、单粒子翻转（SEU）、单粒子功能中止（SEFI）等。针对此类空间辐射效应，NASA（美国国家航空航天局）、ESA（欧洲航天局）等机构开展了大量的试验。试验表明单粒子闩锁会导致FPGA电流增大，局部温度升高，有时甚至可以高达200℃以上，若FPGA长时间处于高温状态将导致器件的永久损坏。
单粒子闩锁仅发生于CMOS工艺中，由于CMOS工艺固有的p-n-p-n四层结构，构成了寄生的可控硅结构，在正常情况下，寄生的可控硅处于高阻关断状态，当带电离子入射后可触发其导通，有电流流过，由于可控硅的正反馈特性，流过的电流不断增大，进入大电流再生状态，即闩锁。
现有的监测SEL的方法均是监测电流，然而当电流过大的情况下可能会烧毁器件，本发明方法使用的电路具有保护被试器件的作用。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明主要解决现有技术中对FPGASEL监测时，由于电流过大而可能造成器件永久损伤的技术问题。
（二）技术方案
本发明提供了一种FPGA单粒子闩锁监测方法，该方法包括以下步骤：
a、使用重离子束流辐照FPGA，监测FPGA的工作电流，当所述工作电流超过规定值时，对FPGA进行重新配置；
b、若上述重新配置失败，则对FPGA进行断电重启，重新加载程序；
c、若上述重新加载程序成功，则记录一次单粒子闩锁。
进一步的，所述步骤a中，使用计算机控制的可编程电源，通过测量采样电阻的压降来监视FPGA的工作电流。
进一步的，所述步骤a中，同时监测FPGA的工作温度。
进一步的，所述步骤a中，所述工作电流超过规定值，是指超过FPGA器件正常工作电流的1.5倍。
进一步的，在所述步骤a之后，若对FPGA重新配置成功，则继续监测所述工作电流。
进一步的，在所述步骤b之后，若FPGA重新加载程序失败，则表示FPGA损坏。
进一步的，在所述步骤c之后，还包括以下步骤：
设定当SEL总数达到预设值或重离子总注量达到预设量时，停止辐照。
本发明还提供了一种电流监测装置，该装置包括：
电流检测放大单元，用于检测采样电阻的电流，并放大采样电阻的电压；
电压比较单元，与所述电流检测放大单元相连，用于比较采样电阻的电压和参考电压，并根据比较结果输出高电平或低电平；
场效应晶体管，与所述电压比较单元相连，根据所述电压比较单元输出的电平来控制负载供电电路的导通和截止。
进一步的，所述电流检测放大单元和电压比较单元采用MAX4373芯片实现。
（三）有益效果
本发明方法能实时监测器件的工作电流，有利于FPGA单粒子闩锁的判断，同时，由于采用了计算机控制的可编程电源，具有保护被试器件的作用。
附图说明
图1是本发明的FPGASEL监测流程图；
图2是电流监测装置的电路图。
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是本发明的FPGASEL监测流程图，其实现过程如下：
步骤S101，搭建测试系统，确保系统通信正常，工作正常。确保FPGA内核电压、工作电压、I/O电压及锁相环（PLL）电压均设置为额定工作电压，调整重离子束流的注量率、辐照面积和均匀度等，使之满足要求。根据规范可以使用不同LET值的重离子束流进行辐照试验。
步骤S102，使用计算机控制的可编程电源采集工作电流，当工作电流增大时，被采样电阻的电压降随之增大，通过测量采样电阻的压降来监视FPGA的工作电流。
远程操控计算机通过网线与上位机连接，获取相关数据。FPGASEL的监测过程中需记录的数据有：辐照离子类型、能量（MeV）、线性能量转移（LET）值、样品温度、注量率(ions/cm2/s)、辐照时间、测试条件（如电压等）、工作电流、SEL次数、俘获截面、辐照后总注量等。辐射期间还应监测FPGA的工作温度，尽可能地缩短辐照时间，以防止FPGA过热。需要时，辐射数据采集应考虑到连续辐射之间的处理器冷却时间。同时，为了防止过热，辐射的运行时间不宜过长,并可使用电偶测量温度。
步骤S103，若工作电流增大且超过规定值（通常为器件的1.5倍）时，对FPGA进行重新配置。
步骤S104，判断FPGA重新配置是否成功，若配置成功，则FPGA未发生单粒子闩锁，继续试验。
步骤S105，若FPGA重新配置失败，则对FPGA进行断电重启，重新加载程序。
步骤S106，若程序加载失败，则FPGA损坏。
步骤S107，若程序加载成功，则记录一次SEL。
步骤S108，对于重离子试验，可以设定当SEL总数达到100个（或预设值）或重离子的总注量达到107ions/cm2（以先到者为准），则停止辐照。
其中，步骤S103-S105中，当电流超过规定值时，电压比较器通过与参考电压比较，发出信号，切断电源开关，保护被试器件。
本发明中使用的电流监测装置包括以下几个部分：
电流检测放大单元，用于检测采样电阻的电流，并放大采样电阻的电压；
电压比较单元，与电流检测放大单元相连，用于比较采样电阻的电压和参考电压，并根据比较结果输出高电平或低电平；
场效应晶体管，与电压比较单元相连，根据其输出的电平来控制负载供电电路的导通和截止。
本实施例中，电流检测放大单元和电压比较单元采用MAX4373芯片实现，图2是电流监测装置的电路图，Vin是监测电源，MAX4373将Rsense的分压放大后输出，通过R1和R2分压后，如果Voutin小于规定的电压值，内部电压比较器从COUT1输出低电平，P沟道MOSFET导通，负载的供电电路连通；若通过Rsense的电流超过预定的门限，内部比较器输出高电平，导致MOSFET截止，负载供电电路被切断。由于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，主控制板监测到COUT1输出为高（即被测器件出现SEL），启动器件重启操作，完成两个任务：一是通过控制电路将图中RESET信号拉低，对MAX4373电路复位，COUT1输出变低，从而使MOSFET导通，实现对负载重新加电；二是通过主控制单元对锁定的器件进行重启操作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种FPGA单粒子闩锁监测方法，其特征在于，该方法包括：
a、使用重离子束流辐照FPGA，监测FPGA的工作电流，当所述工作电流超过规定值时，对FPGA进行重新配置；
b、若上述重新配置失败，则对FPGA进行断电重启，重新加载程序；若上述重新配置成功，则继续监测所述工作电流；
c、若上述重新加载程序成功，则记录一次单粒子闩锁；若上述重新加载程序失败，则表示FPGA损坏。
2.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述步骤a中，使用计算机控制的可编程电源，通过测量采样电阻的压降来监视FPGA的工作电流。
3.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述步骤a中，同时监测FPGA的工作温度。
4.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述步骤a中，所述工作电流超过规定值，是指超过FPGA器件正常工作电流的1.5倍。
5.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于，在所述步骤c之后，进一步包括以下步骤：
设定当单粒子闩锁总数达到预设值或重离子总注量达到预设量时，停止辐照。
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