CN104483622B - 一种基于jtag接口的单粒子辐照试验测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于JTAG接口的单粒子辐照试验测试系统及方法，该试验系统包括上位机和测试板；测试板包括SRAM，配置PROM，控制处理FPGA与被测FPGA；控制处理FPGA包括串口通信模块、过程控制模块、被测FPGA配置模块，JTAG回读模块及SRAM读写模块；被测FPGA上搭载简单功能；上位机负责流程控制和数据处理；控制处理FPGA负责处理上位机发送的命令并进行单粒子翻转、单粒子功能中断检测等工作。本发明使用控制处理FPGA与被测FPGA的JTAG接口相连，通过JTAG接口实现单粒子翻转检测，系统更加稳定，结果更加可靠，并且可以自动识别被测FPGA的器件型号，自适应不同型号被测FPGA的单粒子辐照试验测试。

Description

一种基于JTAG接口的单粒子辐照试验测试系统及方法
技术领域
本发明涉及一种单粒子辐照试验测试系统及方法，特别是一种基于JTAG接口的单粒子辐照试验测试系统及方法，属于FPGA测试及辐照试验领域。
背景技术
现场可编程门阵列(FPGA)器件具有灵活性高、成本低、周期短等优点，大大缩短了研制生产周期和最大化降低了风险，特别适合航天工程对宇航级器件的高可靠、多品种、小批量的特色要求，广泛应用于国内外航天工程中。但空间环境中单粒子效应对SRAM型FPGA器件的影响很大，很容易导致卫星通信或控制功能失常，对军事及经济造成巨大损失。因此，FPGA在空间系统应用之前，务必要进行充分的辐照试验评估。单粒子辐照试验为评估FPGA抗辐照指标的基本方法。
目前现有的单粒子辐照试验系统通常采用CPU或嵌入式芯片作为控制系统，使用SelectMAP端口对被测FPGA进行配置和回读操作，这种方法实现复杂，且不够稳定，并且只能针对单一器件进行单粒子辐照试验，不具备通用性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于JTAG接口的FPGA单粒子辐照试验测试系统及方法，使用JTAG接口对被测FPGA进行配置和回读，可以使系统更加稳定，结果更加可靠，并且通过回读IDCODE可以自动识别被测FPGA的器件型号。
本发明的技术方案：一种基于JTAG接口的单粒子辐照试验测试系统，包括：上位机和测试板；
所述上位机用于进行试验参数设置、试验过程控制和试验结果显示；
所述测试板放置于辐照罐内，测试板包括SRAM、配置PROM、控制处理FPGA、RS485通信接口和被测FPGA；所述控制处理FPGA包括被测FPGA配置模块、JTAG回读模块、SRAM读写模块、过程控制模块和串口通信模块；
控制处理FPGA中的串口通信模块通过RS485通信接口接收上位机发送的控制指令及被测FPGA配置码流，通过过程控制模块将控制指令发送给被测FPGA配置模块、JTAG回读模块和SRAM读写模块，并通过SRAM读写模块将接收的被测FPGA配置码流存放在SRAM中；
单粒子辐照试验前，过程控制模块控制被测FPGA配置模块通过SRAM读写模块从SRAM中读取被测FPGA配置码流，并通过JTAG接口对被测FPGA进行配置；被测FPGA配置完成后，过程控制模块控制JTAG回读模块通过JTAG接口从被测FPGA中回读码流，并通过SRAM读写模块发送给SRAM，作为回读对照码流存储在SRAM中；
单粒子辐照试验开始后，过程控制模块控制JTAG回读模块通过JTAG接口从被测FPGA中实时回读码流，作为试验码流，同时通过SRAM读写模块从SRAM中读取回读对照码流。
所述RS485通信接口采用的波特率大于1M。
所述SRAM的存储容量大于8M。
所述JTAG接口的时钟频率小于等于6M。
一种基于测试系统的单粒子辐照试验测试方法，步骤如下：
(1)上位机与控制处理FPGA进行握手通信；握手成功后上位机向控制处理FPGA发送被测FPGA配置码流；控制处理FPGA通过SRAM读写模块将被测FPGA配置码流存储到SRAM中；
(2)上位机发送配置被测FPGA命令，过程控制模块控制被测FPGA配置模块通过SRAM读写模块从SRAM中读取被测FPGA配置码流，并通过JTAG接口对被测FPGA进行配置；
(3)配置完成后，上位机发送回读对照码流命令，过程控制模块控制JTAG回读模块通过JTAG接口从被测FPGA中回读码流，并通过SRAM读写模块发送给SRAM，作为回读对照码流存储在SRAM中；回读对照码流时首先收到被测FPGA的IDCODE，通过IDCODE识别被测FPGA的器件类型；
(4)开启辐照源，上位机根据采样周期发送采样命令至控制处理FPGA；控制处理FPGA在收到采样命令后，控制JTAG回读模块通过JTAG接口回读被测FPGA码流；回读被测FPGA码流时首先收到被测FPGA的IDCODE；
(5)比较步骤(3)中对照码流中的IDCODE和步骤(4)被测码流中的IDCODE，判断JTAG端口是否锁死，若两个IDCODE不同，则JTAG端口锁死，发生单粒子功能中断，进入步骤(6)；若两个IDCODE相同，则JTAG端口未锁死，没有发生单粒子功能中断，进入步骤(7)；
(6)控制处理FPGA发送单粒子功能中断信息至上位机，进行测试板硬复位，返回步骤(1)；
(7)控制处理FPGA进行单粒子翻转测试；过程控制模块控制JTAG回读模块通过JTAG接口从被测FPGA中实时回读码流，作为试验码流，同时通过SRAM读写模块从SRAM中读取回读对照码流，将试验码流与回读对照码流按位比较，统计单粒子翻转次数；单粒子翻转测试后控制处理FPGA上传单粒子翻转次数至上位机，进入步骤(8)；
(8)判断辐射注量是否满足单粒子辐照试验要求，若满足，则试验结束，保存试验数据；若不满足，则返回步骤(4)。
所述步骤(8)中辐射注量为辐射注量率与试验时间的乘积。
本发明与现有技术相比具有的优点是：
(1)本发明用JTAG接口对被测FPGA进行配置和回读，结果更加可靠。
(2)本发明在通过JTAG接口回读码流的过程中可以读取被测FPGA的IDCODE，通过IDCODE可以自动识别被测FPGA的器件型号，自适应不同型号被测FPGA的单粒子辐照试验测试。
(3)本发明通过比较试验码流和回读对照码流的IDCODE可以判断JTAG端口是否锁死，从而判断单粒子功能中断是否发生，从而能够更方便地对试验过程进行控制。
附图说明
图1为本发明测试系统总体结构框架图；
图2为单粒子辐照试验测试流程示意图。
具体实施方式
如图1所示：一种基于JTAG接口的单粒子辐照试验测试系统包括上位机和测试板。上位机用于进行试验参数设置、试验过程控制和试验结果显示；测试板放置于辐照罐内，测试板包括SRAM、配置PROM、控制处理FPGA、RS485通信接口和被测FPGA。控制处理FPGA包括被测FPGA配置模块、JTAG回读模块、SRAM读写模块、过程控制模块和串口通信模块。
控制处理FPGA中的串口通信模块通过RS485通信接口接收上位机发送的控制指令及被测FPGA配置码流，通过过程控制模块将控制指令发送给被测FPGA配置模块、JTAG回读模块和SRAM读写模块，并通过SRAM读写模块将接收的被测FPGA配置码流存放在SRAM中。
单粒子辐照试验前，过程控制模块控制被测FPGA配置模块通过SRAM读写模块从SRAM中读取被测FPGA配置码流，并通过JTAG接口对被测FPGA进行配置。被测FPGA配置完成后，过程控制模块控制JTAG回读模块通过JTAG接口从被测FPGA中回读码流，并通过SRAM读写模块发送给SRAM，作为回读对照码流存储在SRAM中。
单粒子辐照试验开始后，过程控制模块控制JTAG回读模块通过JTAG接口从被测FPGA中实时回读码流，作为试验码流，同时通过SRAM读写模块从SRAM中读取回读对照码流。
RS485通信接口采用的波特率大于1M。SRAM的存储容量大于8M。JTAG接口的时钟频率小于等于6M。
如图2所示，一种基于权利要求1中测试系统的单粒子辐照试验测试方法步骤如下，在试验开始之前需要打开用于与测试板通信的RS485通信接口。
(1)上位机与控制处理FPGA进行握手通信；握手成功后上位机向控制处理FPGA发送被测FPGA配置码流；控制处理FPGA通过SRAM读写模块将被测FPGA配置码流存储到SRAM中；
(2)上位机发送配置被测FPGA命令，过程控制模块控制被测FPGA配置模块通过SRAM读写模块从SRAM中读取被测FPGA配置码流，并通过JTAG接口对被测FPGA进行配置；
(3)配置完成后，上位机发送回读对照码流命令，过程控制模块控制JTAG回读模块通过JTAG接口从被测FPGA中回读码流，并通过SRAM读写模块发送给SRAM，作为回读对照码流存储在SRAM中；回读对照码流时首先收到被测FPGA的IDCODE，通过IDCODE识别被测FPGA的器件类型；
(4)开启辐照源，上位机根据采样周期发送采样命令至控制处理FPGA；控制处理FPGA在收到采样命令后，控制JTAG回读模块通过JTAG接口回读被测FPGA码流；回读被测FPGA码流时首先收到被测FPGA的IDCODE；
(5)比较步骤(3)中对照码流中的IDCODE和步骤(4)被测码流中的IDCODE，判断JTAG端口是否锁死，若两个IDCODE不同，则JTAG端口锁死，发生单粒子功能中断，进入步骤(6)；若两个IDCODE相同，则JTAG端口未锁死，没有发生单粒子功能中断，进入步骤(7)；
(6)控制处理FPGA发送单粒子功能中断信息至上位机，进行测试板硬复位，返回步骤(1)；
(7)控制处理FPGA进行单粒子翻转测试；过程控制模块控制JTAG回读模块通过JTAG接口从被测FPGA中实时回读码流，作为试验码流，同时通过SRAM读写模块从SRAM中读取回读对照码流，将试验码流与回读对照码流按位比较，统计单粒子翻转次数；单粒子翻转测试后控制处理FPGA上传单粒子翻转次数至上位机，进入步骤(8)；
(8)判断辐射注量是否满足单粒子辐照试验要求，若满足，则试验结束，保存试验数据；若不满足，则返回步骤(4)。所述辐射注量为辐射注量率与试验时间的乘积。
器件型号判断，FPGA的每一种器件类型分别对应唯一确定的IDCODE，JTAG回读开始时可以读取被测FPGA的IDCODE，通过分析IDCODE的值，可以自动识别FPGA的器件类型。
单粒子功能中断(SEFI)测试，系统可以检测两种单粒子功能中断的检测，即上电复位单粒子功能中断(POR-SEFI)和JTAG端口单粒子功能中断(JTAG-SEFI)的检测。其中，POR-SEFI检测被测FPGA芯片配置的用户功能是否还存在，芯片是否还处在正常工作状态；JTAG-SEFI检测被测FPGA芯片的JTAG端口是否工作正常，只要两者发生其一，就认为发生了单粒子功能中断。具体的功能中断识别判定及记录方式如下：
1)POR-SEFI检测：对于POR-SEFI的判断，可以通过控制处理FPGA监视被测FPGA的DONE信号管脚实现，在完成被测FPGA配置后，被测FPGA的DONE信号应该保持为高。如果某个时刻DONE信号变低，就意味着发生POR-SEFI。控制处理FPGA一旦监测到发生POR-SEFI，上传发生POR-SEFI信息。
2)JTAG-SEFI检测：可以通过控制处理FPGA比较IDCODE实现，JTAG回读开始时可以读取被测FPGA的IDCODE，将其与被测FPGA应有的IDCODE进行比较可以判断JTAG-SEFI，如果读取被测FPGA的IDCODE与其应有的IDCODE一致则判断此时JTAG端口电路工作正常；如果不一致则判断发生JTAG-SEFI，上传发生JTAG-SEFI信息。
上位机为美国进口加固型工业笔记本，具备防尘、防震、防水等功能，系统运行稳定可靠，支持PCI、RS485、USB、RS232等基础接口，试验时方便外设链接和移动。测试板可以使用Xillinx公司Spartan 6系列FPGAXC6SLX45FGG676C或同等规模Xilinx公司FPGA芯片作为控制处理FPGA，ISSI公司生产IS61WV20488BLL或同等容量大小SRAM芯片作为外部SRAM，航天772所生产宇航级抗辐射加固FPGA BQVR300CQFP240、BQVR600CQFP228等作为被测FPGA，通信接口为RS485串口，可以采用SN65HVD75芯片。
本发明未详细介绍的内容属于本领域公知常识。

Claims (6)

1.一种基于JTAG接口的单粒子辐照试验测试系统，其特征在于包括：上位机和测试板；
所述上位机用于进行试验参数设置、试验过程控制和试验结果显示；
所述测试板放置于辐照罐内，测试板包括SRAM、配置PROM、控制处理FPGA、RS485通信接口和被测FPGA；所述控制处理FPGA包括被测FPGA配置模块、JTAG回读模块、SRAM读写模块、过程控制模块和串口通信模块；
控制处理FPGA中的串口通信模块通过RS485通信接口接收上位机发送的控制指令及被测FPGA配置码流，通过过程控制模块将控制指令发送给被测FPGA配置模块、JTAG回读模块和SRAM读写模块，并通过SRAM读写模块将接收的被测FPGA配置码流存放在SRAM中；
单粒子辐照试验前，过程控制模块控制被测FPGA配置模块通过SRAM读写模块从SRAM中读取被测FPGA配置码流，并通过JTAG接口对被测FPGA进行配置；被测FPGA配置完成后，过程控制模块控制JTAG回读模块通过JTAG接口从被测FPGA中回读码流，并通过SRAM读写模块发送给SRAM，作为回读对照码流存储在SRAM中；
单粒子辐照试验开始后，过程控制模块控制JTAG回读模块通过JTAG接口从被测FPGA中实时回读码流，作为试验码流，同时通过SRAM读写模块从SRAM中读取回读对照码流。
2.根据权利要求1所述的一种基于JTAG接口的单粒子辐照试验测试系统，其特征在于：所述RS485通信接口采用的波特率大于1M。
3.根据权利要求1所述的一种基于JTAG接口的单粒子辐照试验测试系统，其特征在于：所述SRAM的存储容量大于8M。
4.根据权利要求1所述的一种基于JTAG接口的单粒子辐照试验测试系统，其特征在于：所述JTAG接口的时钟频率小于等于6M。
5.一种基于权利要求1中测试系统的单粒子辐照试验测试方法，其特征在于步骤如下：
(1)上位机与控制处理FPGA进行握手通信；握手成功后上位机向控制处理FPGA发送被测FPGA配置码流；控制处理FPGA通过SRAM读写模块将被测FPGA配置码流存储到SRAM中；
(2)上位机发送配置被测FPGA命令，过程控制模块控制被测FPGA配置模块通过SRAM读写模块从SRAM中读取被测FPGA配置码流，并通过JTAG接口对被测FPGA进行配置；
(3)配置完成后，上位机发送回读对照码流命令，过程控制模块控制JTAG回读模块通过JTAG接口从被测FPGA中回读码流，并通过SRAM读写模块发送给SRAM，作为回读对照码流存储在SRAM中；回读对照码流时首先收到被测FPGA的IDCODE，通过IDCODE识别被测FPGA的器件类型；
(4)开启辐照源，上位机根据采样周期发送采样命令至控制处理FPGA；控制处理FPGA在收到采样命令后，控制JTAG回读模块通过JTAG接口回读被测FPGA码流；回读被测FPGA码流时首先收到被测FPGA的IDCODE；
(5)比较步骤(3)中对照码流中的IDCODE和步骤(4)被测码流中的IDCODE，判断JTAG端口是否锁死，若两个IDCODE不同，则JTAG端口锁死，发生单粒子功能中断，进入步骤(6)；若两个IDCODE相同，则JTAG端口未锁死，没有发生单粒子功能中断，进入步骤(7)；
(6)控制处理FPGA发送单粒子功能中断信息至上位机，进行测试板硬复位，返回步骤(1)；
(7)控制处理FPGA进行单粒子翻转测试；过程控制模块控制JTAG回读模块通过JTAG接口从被测FPGA中实时回读码流，作为试验码流，同时通过SRAM读写模块从SRAM中读取回读对照码流，将试验码流与回读对照码流按位比较，统计单粒子翻转次数；单粒子翻转测试后控制处理FPGA上传单粒子翻转次数至上位机，进入步骤(8)；
(8)判断辐射注量是否满足单粒子辐照试验要求，若满足，则试验结束，保存试验数据；若不满足，则返回步骤(4)。
6.根据权利要求5所述的一种基于权利要求1中测试系统的单粒子辐照试验测试方法，其特征在于：所述步骤(8)中辐射注量为辐射注量率与试验时间的乘积。
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