星载交换设备可靠性关键技术研究

论文摘要

星载交换设备与地面信息网络节点不同,它处于复杂的空间物理环境中,可能受到恶劣的高能粒子干扰。卫星的成本和发射费用很高,发射升空后对星上设备进行更换或者重新配置的难度也较高,因此在设计之初就必须对其可靠性进行高度关注。作为未来空间信息网络的关键组成部分,如何保证其在空间辐射环境中的可靠性,是一个具有挑战性的课题。在设备外加装屏蔽材料是一个比较自然的解决方法。冗余作为可靠性设计的常规技术,在星载交换设备上同样适用。随着FPGA在航天领域的广泛应用,芯片自身的抗辐射性能也越来越好,但由于技术壁垒及成本等因素,在商业现货级芯片中引入容错设计才是解决之道。本文根据设备所处的环境及功能,提出了星载交换机的体系结构,并进行了关键器件的选型,保证了系统的性能和可靠性;同时根据SOC层次化设计方法,提出了系统级、模块级、芯片级三个不同粒度的星载交换机抗单粒子翻转（Single-Event Upsets ,SEU）多级容错体系。系统级对主控模块和交换模块进行双模块冗余,对容错模块实现三模冗余策略,提高了系统整体的可靠性;模块级采用集成编码和TMR两种模式且可以根据需要切换模式的设计,提高了SRAM和FLASH等存储器的抗SEU能力;芯片级从容错状态机、I/O信号、配置逻辑等方面入手来提高FPGA的抗SEU能力。对配置逻辑进行全局性的TMR设计可以提高FPGA的抗SEU能力,但也耗费大量的资源,显著增加能耗开销。本文根据星载交换机在轨运行时FPGA单粒子翻转的可预测性和FPGA配置单元的分类,提出了基于翻转率预测的复合解决方案MSBPR。此方案既能保证系统的可靠性,又能动态调节FPGA资源的利用,从而节约了能耗。在此基础上,作者参与实现了一款星载ATM交换机原型系统,并对系统进行了可靠度建模与分析,指出了系统各模块可靠度对整体可靠度产生的影响,揭示了影响系统可靠度的关键部件,对今后系统的改进设计具有借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 空间信息网络
• 1.1.2 空间辐射环境对电子设备产生的影响
• 1.1.3 国内外研究现状及发展趋势
• 1.1.4 课题研究意义
• 1.2 课题主要工作
• 1.3 论文的内容和安排
• 第二章 基础理论概述
• 2.1 空间辐射环境中的SEU 效应
• 2.1.1 空间高能带电粒子环境简介
• 2.1.2 单粒子翻转的发生
• 2.2 SRAM 型FPGA 抗SEU 技术
• 2.2.1 FPGA 及其空间辐射效应
• 2.2.2 SRAM 型FPGA 常用抗SEU 技术
• 2.3 可靠性概论
• 2.3.1 可靠性的主要参数
• 2.3.2 常用备份系统的可靠度
• 2.3.3 故障诊断与处理技术
• 2.4 本章小结
• 第三章 星载交换机体系结构和抗SEU 多级容错设计
• 3.1 星载交换机的体系结构
• 3.1.1 星载交换机系统的功能
• 3.1.2 星载交换机的体系结构
• 3.1.3 COTS 器件的选型
• 3.2 星载交换机的抗SEU 多级容错技术
• 3.2.1 系统级容错技术研究
• 3.2.2 模块级容错技术研究
• 3.2.3 芯片级容错技术研究
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于翻转率预测的复合解决方案（MSBPR）
• 4.1 MSBPR 的设计思想及原理
• 4.1.1 Xilinx virtex FPGA 在轨SEU 率的预测
• 4.1.2 配置帧的分类
• 4.1.3 基于翻转率预测的复合解决方案
• 4.2 MSBPR 的工作机制与可靠性分析
• 4.2.1 MSBPR 的工作机制
• 4.2.2 MSBPR 的可靠性分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 星载交换机原型系统的实现及可靠性分析
• 5.1 星载ATM 交换机原型系统
• 5.1.1 主控板
• 5.1.2 前端板
• 5.1.3 交换板
• 5.1.4 背板
• 5.2 系统的可靠性分析
• 5.2.1 系统的可靠性模型
• 5.2.2 系统的可靠性分析
• 5.2.3 系统的可靠性分配
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果