CN104035828A - 一种fpga的空间辐照综合防护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种FPGA的空间辐照综合防护方法及装置，方法包括以下步骤：（1）根据不同类型的辐照效应设置对应的防护措施，其中，所述防护措施包括代码级措施、器件级措施、单机级措施以及整星级措施；（2）分析辐照危害的特性，获取对应的辐照效应类型；（3）根据所获取的辐照效应类型，选择对应的防护措施；（4）采用所选择的防护措施进行辐照效应防护。本发明能够更好地对空间辐照效应进行防护，增强防护措施的有效性、可靠性以及控制的自主性，可实现星载通信设备寿命期内长时间自主无故障运行。

Description

一种FPGA的空间辐照综合防护方法及装置

技术领域

本发明涉及航天测量与控制技术领域，具体的说，是一种基于SRAM型FPGA的空间辐照综合防护方法及装置。

背景技术

SRAM（Static RAM的缩写，即静态随机存储器）型FPGA因其高密度、高性能、低成本和可重配置的特性，已经广泛应用于航天领域。空间环境尤其是辐射带中存在着各种高能粒子，它们对微电子器件产生的电离辐射将导致器件出现总剂量效应(TID，Total Ionizing Dose)和单粒子效应(SEE，Single Event Effect)，从而影响系统功能。总剂量效应表现为互补金属氧化物半导体器件长期受高能辐射而造成的性能退化，或电荷累积引发放电损伤器件。单粒子效应表现为单个高能粒子轰击造成的器件工作异常；单粒子效应又可分为单粒子锁定（SEL，Single Event Latch-up）、单粒子翻转（SEU，Single Event Upset）等。从应用情况来看，即便是抗辐照加固版本的FPGA仍然对SEE十分敏感，因此空间辐照是SRAM型FPGA在空间应用的主要障碍。

现有常见辐射危害的故障影响及防护措施如表1所示：

表1 常用辐照效应概述。

但是现有的防护措施存在以下不足：

1）不同辐照效应的机理、影响及防护措施不同，具体的措施都是仅对某种辐射危害有效，对其它则可能无效，零散的措施难以圆满解决空间辐照带来的种种问题；

2）辐照措施没有冗余，可靠性不高；

3）常常需要地面指令控制，自主性不强。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种FPGA的空间辐照综合防护方法及装置，其能够更好地对空间辐照效应进行防护，增强防护措施的有效性、可靠性以及控制的自主性，可实现星载通信设备寿命期内长时间自主无故障运行。

为实现上述目的，本发明提供了一种FPGA的空间辐照综合防护方法，包括以下步骤：（1）根据不同类型的辐照效应设置对应的防护措施，其中，所述防护措施包括代码级措施、器件级措施、单机级措施以及整星级措施；（2）分析辐照危害的特性，获取对应的辐照效应类型；（3）根据所获取的辐照效应类型，选择对应的防护措施；（4）采用所选择的防护措施进行辐照效应防护。

步骤（1）中进一步包括为每一类型的辐照效应设置至少一冗余防护措施。

步骤（1）进一步包括：（11）设置辐照效应中总剂量效应对应的防护措施为器件级措施以及单机级措施的至少其中之一；（12）设置辐照效应中单粒子锁定效应对应的防护措施为器件级措施、单机级措施以及整星级措施的至少其中之一；（13）设置辐照效应中单粒子翻转效应对应的防护措施为代码级措施以及整星级措施的至少其中之一；（14）设置辐照效应中单粒子功能中断效应对应的防护措施为单机级措施以及整星级措施的至少其中之一；（15）设置辐照效应中单粒子瞬态脉冲效应对应的防护措施为单机级措施以及整星级措施的至少其中之一。

进一步，所述代码级措施用于对辐照效应中的单粒子翻转效应进行防护，包括：采用动态重构方式对信道功能进行监控，发现异常则启动重加载；对FPGA内部各寄存器采用同步逻辑方式，对内部寄存器数据定时更新；对预选参数及变量进行多次取样大数判决；以及综合信息处理。

进一步，所述器件级措施用于对辐照效应中的总剂量效应以及单粒子锁定效应进行防护，包括：根据抗总剂量要求选择相应级别的且对单粒子锁定免疫的产品；配置芯片选用对单粒子事件不敏感的产品；以及进行资源降额处理。

进一步，所述单机级措施用于对辐照效应中的总剂量效应、单粒子锁定效应、单粒子功能中断效应以及单粒子瞬态脉冲效应进行防护，包括：对结构进行屏蔽加固；采用看门狗电路；以及对部分变量采用三模冗余。

进一步，所述整星级措施用于对辐照效应中的单粒子锁定效应、单粒子翻转效应、单粒子功能中断效应以及单粒子瞬态脉冲效应进行防护，包括：对通信设备进行接收机热备份、发射机冷备份的双机冗余配置；设置设备开/关指令、设备复位指令；以及通过其它设备自主对设备进行复位操作。

步骤（1）之后进一步包括：对每一防护措施进行效果评估，其中所述效果评估进一步包括故障注入测试、辐射模拟测试和在轨飞行验证。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种FPGA的空间辐照综合防护装置，包括：一设置模块，用于根据不同类型的辐照效应设置对应的防护措施，其中，所述防护措施包括代码级措施、器件级措施、单机级措施以及整星级措施；一分析模块，用于分析辐照危害的特性，获取对应的辐照效应类型；一选择模块与所述设置模块以及分析模块相连，用于根据所述设置模块的设置内容以及所述分析模块所获取的辐照效应类型，选择对应的防护措施；一处理模块与所述选择模块相连，用于采用所述选择模块所选择的防护措施进行辐照效应防护。

所述装置进一步包括效果评估模块：所述效果评估模块与所述设置模块相连，用于对每一防护措施进行效果评估，其中所述效果评估进一步包括故障注入测试、辐射模拟测试和在轨飞行验证。

本发明的优点在于：

1）通过在代码级、器件级、单机级、整星级进行针对性的全方位防护、冗余防护，可实现星载通信设备寿命期内长时间自主无故障运行；

2）既有软件措施，又有硬件措施；既有地面措施又有星上自主处理的措施，对单粒子事件进行多重防护；

3）有针对性地采用故障注入测试和辐照模拟测试对防护效果进行定量评估，验证防护措施的有效性。

附图说明

图1，本发明所述的一种FPGA的空间辐照综合防护方法的流程图；

图2，本发明所述的一种FPGA的空间辐照综合防护装置的架构图；

图3，本发明一实施例所述的FPGA的空间辐照综合防护方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的一种FPGA的空间辐照综合防护方法及装置的具体实施方式做详细说明。

参见图1所示，一种FPGA的空间辐照综合防护方法，包括以下步骤：S10：根据不同类型的辐照效应设置对应的防护措施；S12：分析辐照危害的特性，获取对应的辐照效应类型；S14：根据所获取的辐照效应类型，选择对应的防护措施；S16：采用所选择的防护措施进行辐照效应防护。以下是对上述步骤的详细描述。

步骤S10：根据不同类型的辐照效应设置对应的防护措施。

其中，所述防护措施包括代码级措施、器件级措施、单机级措施以及整星级措施。根据辐照危害的特性，辐照效应类型包括总剂量效应、单粒子锁定效应、单粒子翻转效应、单粒子功能中断效应以及单粒子瞬态脉冲效应。

所述代码级措施主要用于对辐照效应中的单粒子翻转效应进行防护。所述代码级措施指FPGA软件设计采取的一些措施，包括：

a）采用动态重构方式对信道功能进行监控，发现异常则启动重加载；

b）对FPGA内部各寄存器采用同步逻辑设计，对内部寄存器数据定时更新；

c）预选参数及变量进行多次取样大数判决吗，预先选定一些重要参数或变量，对预选的参数及变量采用多次取样大数判决的方式增强其可靠性；

d）综合信息处理，以进一步提高可靠性；还可以包括

e）信号处理鲁棒性设计。

所述器件级措施主要用于对辐照效应中的总剂量效应以及单粒子锁定效应进行防护。所述器件级措施指在等级、工艺、类型等方面严格按照航天规范筛选器件，以及进行资源降额设计，包括：

a）根据任务要求（抗总剂量要求）选择相应级别的，且对单粒子锁定免疫的产品；

b）配置芯片选用对单粒子事件不敏感的产品；

c）进行资源降额处理，例如在电压、电流、频率、结温、环境温度等资源上采用I级降额设计。

所述单机级措施主要用于对辐照效应中的总剂量效应、单粒子锁定效应、单粒子功能中断效应以及单粒子瞬态脉冲效应进行防护。所述单机级措施包括：

a）对结构进行屏蔽加固；

b）采用看门狗电路，通过看门狗电路对运行状态进行监控，保证系统在出现不可避免的错误时，能够快速恢复至正常工作状态；

c）对部分变量采用三模冗余，即只对部分关键变量进行三模冗余（PTMR）设计。

所述整星级措施主要用于对辐照效应中的单粒子锁定效应、单粒子翻转效应、单粒子功能中断效应以及单粒子瞬态脉冲效应进行防护。所述整星级措施至进行重加载、重加电等设计，包括：

a）对通信设备进行接收机热备份、发射机冷备份的双机冗余配置，通过硬件冗余有效增加可靠性；

b）设置设备开/关指令、设备复位指令（包括直接指令和程控指令），当发现某台设备故障后，地面可通过发送复位指令或因此发送设备关、开指令使其工作正常；

c）通过其它设备自主对设备进行复位操作，任务前通过其它设备自主对设备进行复位操作，因此，在设备自身的防护措施失效的情况下仍可自主对其发起重加载操作，提高了系统可靠性。

为了增强防护的有效性以及稳定性，作为优选的实施方式，本发明进一步为每一类型的辐照效应设置至少一冗余防护措施，从而在某一辐照效应对应的其中一防护措施失效时，还可以通过另一防护措施进行防护。

步骤S10进一步包括：（11）设置辐照效应中总剂量效应对应的防护措施为器件级措施以及单机级措施的至少其中之一；（12）设置辐照效应中单粒子锁定效应对应的防护措施为器件级措施、单机级措施以及整星级措施至少其中之一；（13）设置辐照效应中单粒子翻转效应对应的防护措施为代码级措施以及整星级措施至少其中之一；（14）设置辐照效应中单粒子功能中断效应对应的防护措施为单机级措施以及整星级措施至少其中之一；（15）设置辐照效应中单粒子瞬态脉冲效应对应的防护措施为单机级措施以及整星级措施至少其中之一。

为了验证措施的有效性和可靠性，本发明所述方法在步骤S10之后进一步包括S11：对每一防护措施进行效果评估。其中所述效果评估进一步包括故障注入测试、辐射模拟测试和在轨飞行验证。故障注入测试通过FPGA编译工具修改底层的配置连接或逻辑功能模拟故障，生成多种故障的测试用例，观察FPGA运行状态进行；辐射模拟测试通过加速器产生高能粒子，模拟空间辐照进行；在轨测试是最终的确认测试，通过在轨功能和性能测试进行。

S12：分析辐照危害的特性，获取对应的辐照效应类型。

空间环境尤其是辐射带中存在着各种高能粒子，它们对微电子器件产生的电离辐射将导致器件出现总剂量效应和单粒子效应，从而影响系统功能。总剂量效应表现为互补金属氧化物半导体器件长期受高能辐射而造成的性能退化，或电荷累积引发放电损伤器件。单粒子效应表现为单个高能粒子轰击造成的器件工作异常；单粒子效应又可分为单粒子锁定、单粒子翻转、单粒子功能中断以及单粒子瞬态脉冲等。通过分析辐照危害的特性，即可获取当前辐照危害对应的辐照效应类型。该当前辐照危害可能对应多个辐照效应类型。

S14：根据所获取的辐照效应类型，选择对应的防护措施。

比如通过分析辐照危害的特性，获取当前辐照危害对应的辐照效应类型为总剂量效应、单粒子锁定效应以及单粒子翻转效应。则根据步骤S10设置的对应关系，针对总剂量效应选择器件级措施和/或单机级措施；针对单粒子锁定效应选择器件级措施、单机级措施以及整星级措施的至少其中之一；针对单粒子翻转效应选择代码级措施和/或整星级措施。或者选择单机级措施防护总剂量效应以及单粒子锁定效应，选择代码级措施防护单粒子翻转效应。

S16：采用所选择的防护措施进行辐照效应防护。

由于各辐照效应有相应的防护措施进行针对防护，因此确定辐照效应类型并选择对应的防护措施后，即可对相应辐照效应进行有效防护。

本发明对SRAM型FPGA的空间辐照效应的防护提出综合解决方案，并通过测试验证其有效性，有效抵御了空间辐射效应可能产生的危害，使得基于SRAM型FPGA的星载通信设备寿命期内能长时间自主无故障稳定运行。根据辐射危害的特点在代码级、器件级、单机级、整星级分别有针对性地加以防护，从软件设计、器件选型、电路设计、屏蔽封装等方面综合采取措施，有效应对辐射危害带来的种种不利影响，满足任务要求。既有软件的措施又有硬件的措施，既有单机本身的措施又有单机以外更高层次的防护，并且针对各种空间辐射效应的措施应有冗余，因此，能有效抵御所有可能发生的辐射危害，并且有较强的工程应用前景，也可推广应用在低等级器件、反熔丝FPGA、DSP等其它大规模集成电路以及其它中、高轨道航天器的空间辐射防护。

参见图2，本发明所述的FPGA的空间辐照综合防护装置架构图。所述装置包括：一设置模块20、一分析模块22、一选择模块24以及一处理模块26。

所述设置模块20，用于根据不同类型的辐照效应设置对应的防护措施。其中，所述防护措施包括代码级措施、器件级措施、单机级措施以及整星级措施。根据辐照危害的特性，辐照效应类型包括总剂量效应、单粒子锁定效应、单粒子翻转效应、单粒子功能中断效应以及单粒子瞬态脉冲效应。

所述代码级措施主要用于对辐照效应中的单粒子翻转效应进行防护。所述器件级措施主要用于对辐照效应中的总剂量效应以及单粒子锁定效应进行防护。所述单机级措施主要用于对辐照效应中的总剂量效应、单粒子锁定效应、单粒子功能中断效应以及单粒子瞬态脉冲效应进行防护。所述整星级措施主要用于对辐照效应中的单粒子锁定效应、单粒子翻转效应、单粒子功能中断效应以及单粒子瞬态脉冲效应进行防护。为了增强防护的有效性以及稳定性，作为优选的实施方式，本发明进一步为每一类型的辐照效应设置至少一冗余防护措施，从而在某一辐照效应对应的其中一防护措施失效时，还可以通过另一防护措施进行防护。

所述设置模块20进一步用于：设置辐照效应中总剂量效应对应的防护措施为器件级措施以及单机级措施的至少其中之一；设置辐照效应中单粒子锁定效应对应的防护措施为器件级措施、单机级措施以及整星级措施至少其中之一；设置辐照效应中单粒子翻转效应对应的防护措施为代码级措施以及整星级措施至少其中之一；设置辐照效应中单粒子功能中断效应对应的防护措施为单机级措施以及整星级措施至少其中之一；设置辐照效应中单粒子瞬态脉冲效应对应的防护措施为单机级措施以及整星级措施至少其中之一。

为了验证措施的有效性和可靠性，本发明所述装置进一步包括效果评估模块21，所述效果评估模块21与所述设置模块20相连，用于对每一防护措施进行效果评估，其中所述效果评估进一步包括故障注入测试、辐射模拟测试和在轨飞行验证。故障注入测试通过FPGA编译工具修改底层的配置连接或逻辑功能模拟故障，生成多种故障的测试用例，观察FPGA运行状态进行；辐射模拟测试通过加速器产生高能粒子，模拟空间辐照进行；在轨测试是最终的确认测试，通过在轨功能和性能测试进行。

所述分析模块22，用于分析辐照危害的特性，获取对应的辐照效应类型。空间环境尤其是辐射带中存在着各种高能粒子，它们对微电子器件产生的电离辐射将导致器件出现总剂量效应和单粒子效应，从而影响系统功能。总剂量效应表现为互补金属氧化物半导体器件长期受高能辐射而造成的性能退化，或电荷累积引发放电损伤器件。单粒子效应表现为单个高能粒子轰击造成的器件工作异常；单粒子效应又可分为单粒子锁定、单粒子翻转、单粒子功能中断以及单粒子瞬态脉冲等。通过分析辐照危害的特性，即可获取当前辐照危害对应的辐照效应类型。该当前辐照危害可能对应多个辐照效应类型。

所述选择模块24与所述设置模块20以及分析模块22相连，用于根据所述设置模块20的设置内容以及所述分析模块22所获取的辐照效应类型，选择对应的防护措施。

比如通过分析辐照危害的特性，获取当前辐照危害对应的辐照效应类型为总剂量效应、单粒子功能中断效应以及单粒子瞬态脉冲效应。则根据所述设置模块20设置的对应关系，可以选择单机级措施防护上述三种辐照效应；也可以针对总剂量效应选择器件级措施，针对功能中断效应以及单粒子瞬态脉冲效应选择单机级措施以及整星级措施的至少其中之一；也可以针对上述种辐照效应分别采用一防护措施。

处理模块26与所述选择模块24相连，用于采用所述选择模块24所选择的防护措施进行辐照效应防护。确定辐照效应类型并选择对应的防护措施后，即可对相应辐照效应进行有效防护。

参见图3，本发明一实施例所述的FPGA的空间辐照综合防护方法示意图。为了增强防护的有效性以及稳定性，本实施例中为每一类型的辐照效应设置至少一冗余防护措施，从而在某一辐照效应对应的其中一防护措施失效时，还可以通过另一防护措施进行防护。

为了验证措施的有效性和可靠性，须在地面对各级措施进行专门的测试及评估。措施验证包括：对代码级措施进行软件测试，对器件级措施进行严格的器件筛选，单机测试和整星测试主要从单机功能和性能指标的角度进行考核。对辐照效应的防护主要通过效果评估进行，效果评估包括故障注入测试、辐射模拟测试和在轨飞行验证。故障注入测试通过FPGA编译工具修改底层的配置连接或逻辑功能模拟故障，生成多种故障的测试用例，观察FPGA运行状态进行；辐射模拟测试通过加速器产生高能粒子，模拟空间辐照进行；在轨测试是最终的确认测试，通过在轨功能和性能测试进行。

本发明有针对性地采用代码级、器件级、单机级、整星级等多层次的综合防治方法防护空间辐照带来的影响，并通过测试验证其有效性，有效抵御了空间辐射效应可能产生的危害，可实现通信设备寿命期内测控任务期间长时间自主无故障稳定运行。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种FPGA的空间辐照综合防护方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据不同类型的辐照效应设置对应的防护措施，其中，所述防护措施包括代码级措施、器件级措施、单机级措施以及整星级措施；

（2）分析辐照危害的特性，获取对应的辐照效应类型；

（3）根据所获取的辐照效应类型，选择对应的防护措施；

（4）采用所选择的防护措施进行辐照效应防护。

2.根据权利要求1所述FPGA的空间辐照综合防护方法，其特征在于，步骤（1）中进一步包括为每一类型的辐照效应设置至少一冗余防护措施。

3.根据权利要求2所述FPGA的空间辐照综合防护方法，其特征在于，步骤（1）进一步包括：

（11）设置辐照效应中总剂量效应对应的防护措施为器件级措施以及单机级措施的至少其中之一；

（12）设置辐照效应中单粒子锁定效应对应的防护措施为器件级措施、单机级措施以及整星级措施的至少其中之一；

（13）设置辐照效应中单粒子翻转效应对应的防护措施为代码级措施以及整星级措施的至少其中之一；

（14）设置辐照效应中单粒子功能中断效应对应的防护措施为单机级措施以及整星级措施的至少其中之一；

（15）设置辐照效应中单粒子瞬态脉冲效应对应的防护措施为单机级措施以及整星级措施的至少其中之一。

4.根据权利要求1或3所述FPGA的空间辐照综合防护方法，其特征在于，所述代码级措施用于对辐照效应中的单粒子翻转效应进行防护，包括：采用动态重构方式对信道功能进行监控，发现异常则启动重加载；对FPGA内部各寄存器采用同步逻辑方式，对内部寄存器数据定时更新；对预选参数及变量进行多次取样大数判决；以及综合信息处理。

5.根据权利要求1或3所述FPGA的空间辐照综合防护方法，其特征在于，所述器件级措施用于对辐照效应中的总剂量效应以及单粒子锁定效应进行防护，包括：根据抗总剂量要求选择相应级别的且对单粒子锁定免疫的产品；配置芯片选用对单粒子事件不敏感的产品；以及进行资源降额处理。

6.根据权利要求1或3所述FPGA的空间辐照综合防护方法，其特征在于，所述单机级措施用于对辐照效应中总剂量效应、单粒子锁定效应、单粒子功能中断效应以及单粒子瞬态脉冲效应进行防护，包括：对结构进行屏蔽加固、采用看门狗电路以及对部分变量采用三模冗余。

7.根据权利要求1或3所述FPGA的空间辐照综合防护方法，其特征在于，所述整星级措施用于对辐照效应中的单粒子锁定效应、单粒子翻转效应、单粒子功能中断效应以及单粒子瞬态脉冲效应进行防护，包括：对通信设备进行接收机热备份、发射机冷备份的双机冗余配置；设置设备开/关指令、设备复位指令；以及通过其它设备自主对设备进行复位操作。

8.根据权利要求1所述FPGA的空间辐照综合防护方法，其特征在于，步骤（1）之后进一步包括：对每一防护措施进行效果评估，其中所述效果评估进一步包括故障注入测试、辐射模拟测试和在轨飞行验证。

9.一种FPGA的空间辐照综合防护装置，其特征在于，包括：

一设置模块，用于根据不同类型的辐照效应设置对应的防护措施，其中，所述防护措施包括代码级措施、器件级措施、单机级措施以及整星级措施；

一分析模块，用于分析辐照危害的特性，获取对应的辐照效应类型；

一选择模块与所述设置模块以及分析模块相连，用于根据所述设置模块的设置内容以及所述分析模块所获取的辐照效应类型，选择对应的防护措施；

一处理模块与所述选择模块相连，用于采用所述选择模块所选择的防护措施进行辐照效应防护。

10.根据权利要求9所述FPGA的空间辐照综合防护装置，其特征在于，所述装置进一步包括效果评估模块： 所述效果评估模块与所述设置模块相连，用于对每一防护措施进行效果评估，其中所述效果评估进一步包括故障注入测试、辐射模拟测试和在轨飞行验证。