CN107271885A - 一种适用于处理器类器件的单粒子试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于处理器类器件的单粒子试验系统，主要由参试电路试验板、系统供电、远程控制和测试软件及监控软件组成。利用本发明的系统实现方法解决了传统单粒子试验板可靠性差、供电性能低下、试验布局操作难、效率低、监控软件重复设计等问题，不仅可以保证试验系统的可重复使用，极大程度的降低试验系统开发成本及周期，增强了试验布局的可操作性，还能实现提高试验效率，缩短试验准备时间，最大程度利用宝贵的单粒子试验机时。

Description

一种适用于处理器类器件的单粒子试验系统

技术领域

本发明涉及集成电路抗辐照试验测试领域，具体涉及一种适用于处理器类器件的单粒子试验系统。

背景技术

单粒子试验是在国内能提供粒子源的试验场所对具有抗单粒子效应指标的集成电路进行模拟空间辐射环境的试验，以完成对集成电路抗辐照指标的考核或抗辐照能力的评估。在空间应用的集成电路研发中扮演着考核电路抗辐照指标或对集成电路的抗辐照能力进行摸底的角色。但现有单粒子试验系统一般通过多根长线直接实现试验室与监控室之间的互联，以完成对参试电路的上电、复位和测试过程的控制等工作。如图1所示，首先，针对每一款参试电路至少生产一块试验板，试验板上根据参试电路的特点选择不同的辅助测试电路，并为参试电路和其余部分单独供电，在进行多种器件、多只器件的单粒子试验时各自为政，且结构不统一，无法进行规划统筹，降低了试验效率；其次，供电接口都通过长距离线缆与监控室的电源相连，实现对试验过程中的通断电控制和实时监控，这种多根线缆长距离传输的连接方式严重影响了供电的性能，因长距离传输而产生的压降明显，降低了单粒子试验系统的可靠性；再次，试验板的通信接口通过长线缆与监控室的控制计算机相连，需在计算机旁放置大量的通信线缆，更换不同参试试验时都需要人工在控制室进行切换，既不安全也容易混淆，降低了试验的可操作性；最后，现有的单粒子试验系统根据每一种参试器件开发了与之对应的测试程序和监控程序，其他器件无法复用，造成了重复开发的浪费，且因没有通用性而导致软件的成熟度较低，影响了软件的可靠性和完善性。受限于线缆的长度和数量，现有单粒子试验系统中的线缆重量庞大，试验布局布线时难度大，体积可观，除携带不方便外，在多线缆经过屏蔽门时导致屏蔽门无法完全关闭，增加了试验中粒子辐射的危险性，且线缆经长时间搬运、折叠后容易断路，为试验问题的排查增加了难度。

发明内容

针对以上单粒子试验系统的不足，本发明提供了一种适用于处理器类器件的单粒子试验系统，可以适用于处理器类器件的单粒子试验，这种单粒子试验系统不仅可以保证试验系统的重复使用及维护，极大程度的降低了试验系统开发成本及周期，还能实现信号的长距离传输控制，保证测试系统稳定性，可最大程度利用单粒子试验的宝贵机时。

为达到上述目的，本发明采用的制备技术方案为：

一种适用于处理器类器件的单粒子试验系统，包括多块单粒子试验板、MOXA串口控制器、电源控制板、程控电源、试验室控制计算机和监控室控制计算机；所述的多块单粒子试验板通过多路通讯接口与MOXA串口控制器连接，MOXA串口控制器通过多路通讯控制电路与试验室控制计算机连接；所述的试验室控制计算机通过多路供电控制电路控制电源控制板，并通过程控电源控制电源控制板对多种参试电路单独供电、供电切换和瞬态电流监控；所述的电源控制板通过多路供电接口给多块单粒子试验板供电；所述的监控室控制计算机通过网线与试验室控制计算机相连，用于对单粒子试验板上电、复位、通信等的切换和控制，并将试验过程和结果信息上传至监控室控制计算机，完成器件的单粒子试验。

所述的单粒子试验板由参试电路和辅助电路组成，在参试电路与辅助电路之间建立通信链接，并在辅助电路与试验室控制计算机之间建立连接，用于对参试电路试验结果和状态的上传。

所述的辅助电路与试验室控制计算机的接口统一采用422串口，将试验板上的422串口连接至多口的MOXA串口控制器上，再经USB口与试验室控制计算机相连。

所述的单粒子试验板由试验室控制计算机控制程控电源为电源控制板上电，经电源控制板供电用于实现参试电路与系统其他部分分开供电及多只电路、多种电路同时参加试验，单独监测参试电路的实时功耗，并存储相应结果，实现对参试电路通断电的切换。

所述的监控室计算机，用于针对参试电路的测试软件，根据参试电路的设计功能，在试验过程种进行功能测试，并将试验结果传给辅助电路；还用于通过控制辅助电路控制试验过程，实时接收、显示试验测试结果，并将测试结果保存和分析。

所述的多块单粒子试验板采用局部堆叠的方式固定在真空罐内的靶标支架上。

相对于现有技术，本发明具有以下效益：

本发明提供的处理器类器件的单粒子试验板、供电板、网线互联和远程桌面控制及统一的通信控制软件，替代原单粒子试验系统中的针对单个元器件的试验环境集成，相较于常规设计的单粒子试验系统，该种单粒子试验系统不仅可以保证试验系统的重复使用及维护，极大程度的降低试验系统开发成本及周期，还能实现多种器件的供电、通信切换，保证试验系统的稳定性和完备性，提高了便携性和安全性，最大程度利用单粒子试验机时，提高试验效率。多路切换的电源控制板和通信装置通过远程控制实现上电、复位和试验过程监控等工作，利用两台计算机通过网线的互联，替代了多线缆的长距离传输设计，并利用统一的监控软件，避免了针对每一种器件的重复开发。采用辅助控制电路的方式集成单粒子试验板，设计电源控制板，结合程控电源完成多种参试电路的单独供电、供电切换和瞬态电流监控功能，通过网线连接监控室计算机与试验室控制计算机，由试验室的控制计算机完成对单粒子电路板的上电、通信切换、参试电路的选通控制、电路试验过程中的复位控制及试验结果的下传等工作，设计统一的通信接口，制定统一通信协议，在监控室计算机上设计通用监控软件控制整个试验流程，完成器件的单粒子试验。这种单粒子试验系统设计不仅可以保证试验系统的重复使用及维护，极大程度的降低了试验系统开发成本及周期，还能实现信号的长距离传输控制，保证测试系统稳定性，可最大程度利用单粒子试验的宝贵机时。

进一步，单粒子试验板由参试电路和辅助电路组成，不仅形成参试电路的最小系统，还要形成辅助电路的最小系统，在参试电路与辅助电路之间建立通信链接，实现对参试电路上电、复位等控制，在辅助电路与控制计算机之间建立连接，实现对参试电路试验结果和状态的上传。

进一步，上电、复位等控制功能模块，由试验室控制计算机控制程控电源为电源控制板上电，经电源控制板实现16路4-14V输入5V输出，实现了参试电路与系统其他部分分开供电及多只电路、多种电路同时参加试验的能力，可单独监测参试电路的实时功耗，并存储相应结果。在真空罐不开盖的条件下可实现对参试电路通断电的切换。

进一步，利用网线连接试验室与监控室的两台控制计算机，通过远程桌面的方式控制试验室的计算机，实现对试验中通断电的控制和通信电路的切换。

进一步，通过参试电路测试软件与试验控制软件的配合，循环测试参试电路的功能，监控参试电路的状态，实现了试验过程的自动化控制和远程控制，提高了试验效率，降低了试验操作人员的危险性，为试验有效、顺利的进行提供技术保证。

附图说明

图1为现有单粒子试验环境下试验系统的组成示意图；

图2为本发明的单粒子试验系统组成示意图；

图3为本发明的单粒子试验板集成示意图；

图4为本发明的单粒子试验板结构示意图；

图5为多板叠装效果示意图，其中(a)为多板叠装的俯视图，(b)为多板叠装的侧视图；

图6为本发明的单粒子电源控制板框图；

图7为本发明的电源控制示意图；

图8为本发明的参试器件的单粒子试验测试程序流程；

图9为本发明的辅助控制电路的程序流程图；

图10为本发明的监控室计算机控制软件示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明：

本发明的一种适用于处理器类器件的单粒子试验系统，既能保证参试器件抗辐照能力的有效评估，又能方便多器件供电、复位和通信等的切换，还可以轻便的实现长距离传输，且能自动实时的完成试验过程的监控和试验结果的处理。

针对处理器类器件的单粒子试验板采用外加辅助电路的方式进行设计，具体方法是，在单粒子板上根据参试处理器类器件的通信接口，选择可与之通信并可对其操作的辅助控制处理器，且辅助控制处理器可方便进行与试验室计算机通信接口的开发。在单粒子板上集成多个参试电路的最小系统，保证可以完成试验过程中对设计功能的测试，全面地评估器件的抗单粒子事件的能力，且尽可能的满足鉴定试验或摸底试验对参试器件样本的需求；针对每一个参试器件的最小系统都进行隔离设计，保证试验中不因其中一个模块的失效而影响其他模块的正常试验；针对参试器件单独供电，以便监控不同电源域在试验中的电流变化。以辅助电路为核心形成辅助电路的最小系统，在实现对参试电路上电、复位、试验过程监控和试验结果接收的前提下集成与控制计算机的通信接口。为简化系统供电的设计，试验板上统一采用+5V输入，经DC/DC后为器件提供不同种类的电源。为了简化系统的设计，提高系统的通用性，且与试验场所的通信接口匹配，在本系统中辅助处理器与控制计算机的接口统一采用422串口，将试验板上的422串口连接至16口的MOXA控制器上，再经USB口与试验室控制计算机相连，实现通信的切换控制。

为保证多只参试电路一次性放入真空罐内，且试验过程中只对参试电路进行供电和监控，在程控电源供电的基础上设计了电源控制板，利用微处理器作为主控器件，分别控制16个DC/DC模块，实现16路独立的4-14V输入+5V输出，可为16个模块提供每路10A的供电能力，通过微处理器与控制计算机的通信接口，在控制计算机上完成对每路供电的通断控制。通过电源控制板的近距离供电，消除了长距离传输带来的压降问题，且通过软件控制通断，避免了试验过程中的人工切换，提高了试验系统的效率，增强了供电的性能和安全性。

为了不用多电缆的长距离传输，采用在试验室内放置一台控制计算机，将其与试验中的程控电源和MOXA转换盒相连，而其自身则通过50米长的网线与监控室的计算机相连，监控室计算机通过远程桌面监控试验室的控制计算机，实现对试验过程的监控。利用网线互联，解决了多线缆笨重的问题，提高了便携性，且网线可以穿过屏蔽门，增加了辐射轻粒子时的安全性。

为了能重复利用测试软件和监控软件，根据处理器类器件的特点，积累相同功能模块的测试方法，针对不同器件的相同功能模块可以重复使用测试程序，增加了测试软件的成熟度；设计了统一的通信接口，规定了统一的通信接口协议，在监控软件整体不变的前提下增加相应的功能模块，降低了开发的难度，增强了监控软件的稳定性和可操作性。

下面结合附图对上述的解决方法进行具体说明：

首先，说明本发明所提供的兼容处理器类器件的单粒子试验系统组成和应用条件：

(一)单粒子试验系统组成

单粒子试验系统结构由单粒子试验板(多块)、MOXA串口控制器、电源控制板、程控电源(多路)、试验室控制计算机、网线和监控室控制计算机组成，由监控室控制计算机通过网线与试验室控制计算机相连，通过远程桌面控制试验室计算机，实现对单粒子试验板上电、复位、通信等的切换和控制，并将试验过程和结果信息上传至监控室计算机。单粒子试验系统的结构如图2所示。参加试验的器件集成在单粒子试验板上，一般根据试验目的和要求在单粒子试验板上设计参试器件的最小系统和辅助电路的最小系统，在两种电路间建立通信链路，并在辅助控制电路端预留与试验室控制计算机的通信、控制接口。单粒子试验板集成示意图如图3所示。为满足单粒子试验场所对单粒子试验板结构尺寸的要求，单粒子试验板的尺寸一般为235×250mm或在此范围内，相邻待测芯片的间距不小于20mm，且待测器件与其周围电路之间也必须保持一定的安全距离，以保证试验过程中除参试器件外其他器件不受单粒子试验环境的影响。单粒子试验板的结构如图4所示。为了充分利用单粒子试验机时，一次要进行多个器件或多种器件的单粒子试验，需将多块单粒子试验板堆叠后加固在真空罐内的靶标支架上，且在离子束的入射方向上每个待测器件都可以被照射到，多个单粒子试验板堆叠的示意图如图5所示。为了满足单粒子试验环境的要求，实现对单粒子试验中主控芯片与被测芯片分开供电、实时监控被测芯片的功耗，设计了单粒子试验电源板，由16个大功率电源管理模块实现16路5V电源的输出，且16路电源的通断切换由电源控制板上的处理器控制，处理器通过通信链路连至控制计算机，在计算机上实现对供电的控制和各路电源功耗的实时监控，设计框图如图6所示。电源板由程控电源提供电源输入，满足电源模块的供电及控制处理器供电等的要求，程控电源通过GPIB、LAN或USB与试验室控制计算机计算机相连，由控制计算机实现对试验过程中电源的通断控制和实时数据的监控，原理图设计如图7所示。设计参试器件的测试软件，根据功能测试的要求控制整个试验流程，并在试验过程中对试验的状态进行判断或回传，单粒子试验的工作流程如图8所示。根据通信和控制的需要设计辅助电路的控制程序，实现对参试电路上电的控制、测试过程的控制及测试状态的回读和测试结果的判定，辅助电路的控制流程如9所示。在监控室计算机上，设计了终端控制软件，根据功能进行了分区，主要包括通信链路设置模块、样品选择模块、测试模式选择模块、测试过程控制模块、测试结果显示模块及测试结果保存于分析模块等，如图10所示。

具体工作过程如下：根据参试试验的器件设计单粒子板，原理框图如图3所示，根据试验场所的要求设计单粒子试验板的结构，如图4所示，为了一次进行多种器件的单粒子试验，单粒子试验板的堆叠如图5所示，根据单粒子试验供电的要求设计多路电源供电控制板，原理框图如图6所示，根据试验系统的供电控制需要，设计电源控制原理，如图7所示；针对处理器类器件，为有效测试单粒子试验的效果，设计参试器件的单粒子试验程序，流程如图8所示，对整个试验过程的控制，开发辅助芯片的控制程序，软件流程示意图如图9所示，在控制计算机上开发监控、处理软件，界面如图10所示。至此，系统搭建完毕，在试验场所中可自动完成所有参试器件的自动上电、复位和试验过程的监控及试验结果的接收和处理提高了试验效率，增强了试验的安全性和可操作性。

(二)应用条件

该发明的单粒子试验系统可应用于处理器类器件的单粒子试验，且适合目前国内的两个单粒子试验场所。其中，单粒子试验板的尺寸要按照结构设计的要求以适应中国原子能科学研究院和中国科学院近代物理研究所对试验板结构的要求；在试验板周围均匀打孔以实现进真空罐时多板的叠加来提高实现的效率；电源控制板的输出电压固定以减少程控电源的路数，通过在试验板上的DC/DC二次电源实现不同电源域的要求；使用网线实现试验室与监控室计算机之间的互联，提高了试验布局的可操作性，也可以在辐射轻离子时将屏蔽门关严，提高了试验的安全性。统一设计的监控软件提高了重复使用的可行性和接口规范性，增强了软件的可靠性和稳定性。

第二，结合本发明具体实施例进一步详细说明，但本发明包括但不限于以下实施例。

实施例1

基于航天科技集团第九研究院第771研究所设计的抗辐照微处理器开展参试器件的单粒子试验系统设计实现与试验。其中要求器件为6只，核心工作电压为1.8V，IO电压为3.3V，所有设计功能模块在试验过程中都需要工作。针对以上要求，按照该发明方案，设计其单粒子试验板，选用771所自主研发的SOC作为辅助控制电路，设计2块试验板，每块试验板上放置3只参试电路和一只辅助控制电路，分别集成最小系统，参数电路通过GPIO口与辅助控制电路建立通信链接，辅助控制电路通过UART口实现与试验室控制计算机的通信互联，试验板输入电压为+5V，通过DC/DC变换后分别为电路提供不同电压的电源，由辅助控制电路实现对参试电路的选择、上电、复位和试验结果、状态的控制；由电源控制板提供4路电源分别为参试电路和辅助电路供电，并通过计算机实时监控电源变化；将2块试验板上的辅助电路的UART口连至MOXA串口控制器，由计算机通过USB口实现对MOXA串口控制器的选通控制；根据参试器件测试程序的流程编写试验程序，覆盖微处理器的所有设计功能，设计辅助控制电路的控制、通信程序，完成对参试器件的控制和试验过程、结果的上传；通过远程桌面将所有信息传至监控室的控制计算机上，在监控室计算机上开发监控、操作软件，实现对参试电路工作模块的选择、上电、复位的控制、测试结果的接收等工作，完成整个单粒子试验。

通过对系统的实际测试验证，得到了微处理器的单粒子试验数据。测试结果表明，基于此发明方案设计的单粒子试验系统，所有功能和指标均优于设计要求，实现了系统通断电的控制、通信的切换、试验功能的选择和试验过程的监控，保证了试验系统高效运行，最大程度利用了单粒子试验机时。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种适用于处理器类器件的单粒子试验系统，其特征在于，包括多块单粒子试验板、MOXA串口控制器、电源控制板、程控电源、试验室控制计算机和监控室控制计算机；所述的多块单粒子试验板通过多路通讯接口与MOXA串口控制器连接，MOXA串口控制器通过多路通讯控制电路与试验室控制计算机连接；所述的试验室控制计算机通过多路供电控制电路控制电源控制板，并通过程控电源控制电源控制板对多种参试电路单独供电、供电切换和瞬态电流监控；所述的电源控制板通过多路供电接口给多块单粒子试验板供电；所述的监控室控制计算机通过网线与试验室控制计算机相连，用于对单粒子试验板上电、复位、通信等的切换和控制，并将试验过程和结果信息上传至监控室控制计算机，完成器件的单粒子试验。

2.根据权利要求1所述的适用于处理器类器件的单粒子试验系统，其特征在于，所述的单粒子试验板由参试电路和辅助电路组成，在参试电路与辅助电路之间建立通信链接，并在辅助电路与试验室控制计算机之间建立连接，用于对参试电路试验结果和状态的上传。

3.根据权利要求2所述的适用于处理器类器件的单粒子试验系统，其特征在于，所述的辅助电路与试验室控制计算机的接口统一采用422串口，将试验板上的422串口连接至多口的MOXA串口控制器上，再经USB口与试验室控制计算机相连。

4.根据权利要求2所述的适用于处理器类器件的单粒子试验系统，其特征在于，所述的单粒子试验板由试验室控制计算机控制程控电源为电源控制板上电，经电源控制板供电，用于实现参试电路与系统其他部分分开供电及多只电路、多种电路同时参加试验，并单独监测参试电路的实时功耗，并存储相应结果，实现对参试电路通断电的切换。

5.根据权利要求1所述的适用于处理器类器件的单粒子试验系统，其特征在于，所述的监控室计算机，用于针对参试电路的测试软件，根据参试电路的设计功能，在试验过程种进行功能测试，并将试验结果传给辅助电路；还用于通过控制辅助电路控制试验过程，实时接收、显示试验测试结果，并将测试结果保存和分析。

6.根据权利要求1所述的适用于处理器类器件的单粒子试验系统，其特征在于，所述的多块单粒子试验板采用局部堆叠的方式固定在真空罐内的靶标支架上。