星载高速数据处理技术研究 ——空间SRAM型FPGA的单粒子翻转容错设计与实现

论文摘要

在我国航天过去十多年的发展中,FPGA因其功能配置时的多样性与重复性,海量数据处理时的灵活性与高效性,被广泛的应用到航天器电子系统中,承担空间环境下的数字信号处理、图像处理等任务。这其中Xilinx公司的SRAM型Virtex各系列FPGA在性能和容量上更具优势,且可根据不同的功能要求进行重配置。然而,SRAM工艺的FPGA受空间辐射影响较大。内部配置存储器的逻辑状态常常由于高能粒子的撞击而翻转（单粒子翻转）,可能导致航天器信息的丢失或者功能中断。由于空间环境的特殊性,可靠性成为航天器的重要指标,容错设计在航天器电子系统中必不可少。本文的研究课题来源于某863计划项目,以Xilinx公司Virtex-II系列FPGA为载体,针对其配置、刷新（Scrubbing）、回读三大技术的原理与流程进行了深入研究。使用反熔丝的FPGA实现Virtex-II的配置和容错操作,并综合使用Actel公司和Xilinx公司的三模冗余方法,设计出两大容错方案:基于周期刷新的开环容错方案;基于回读比较后刷新的闭环容错方案。本文中FPGA采用SelectMAP配置方式,容错设计的实现也基于SelectMAP接口。对设计稍加修改,可以方便的将本容错方案移植到各航天器电子系统中,完成对Virtex-II系列FPGA的容错设计。同时,本文也对本容错设计的资源占用及刷新率、回读率等关键参数进行了讨论,简要探讨了SRAM型FPGA容错效果的评测方法。本课题的研究成果已经实际应用于两个863计划项目及一个国家重大科技专项,作为其SRAM型FPGA的容错方案,结合未来对该方案容错效果的评测,可为我国航天器电子系统高可靠性设计提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 空间辐射环境对航天器的影响
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文章节安排
• 第二章 SRAM 型FPGA 容错关键技术
• 2.1 FPGA 的分类
• 2.2 SRAM 型FPGA 配置原理
• 2.2.1 SRAM 型FPGA 配置模式
• 2.2.2 SelectMAP 配置接口时序
• 2.2.3 SRAM 型FPGA 配置位流格式
• 2.3 SEU 对Xilinx 公司FPGA 的特别效应
• 2.4 Scrubbing 原理
• 2.5 回读原理
• 2.6 X-TMR 原理
• 2.7 A-TMR 原理
• 第三章 容错设计方案
• 3.1 容错方案介绍及选择
• 3.2 FPGA 介绍及选型
• 3.2.1 被容错的目标FPGA
• 3.2.2 外部配置容错管理芯片
• 3.2.3 外部配置存储芯片
• 3.3 硬件系统设计
• 3.3.1 硬件系统
• 3.3.2 开环容错方案
• 3.3.3 闭环容错方案
• 3.3.4 三模冗余方案
• 第四章 具体代码设计
• 4.1 编程语言
• 4.2 代码模块划分及实现要点
• 4.2.1 外部数据同步模块
• 4.2.2 时钟分频模块
• 4.2.3 上电配置模块
• 4.2.4 周期刷新模块
• 4.2.5 回读比较模块
• 4.2.6 三模冗余设计
• 第五章 调试总结与性能参数
• 5.1 调试时序抓图
• 5.2 资源占用比较
• 5.3 刷新率、回读率与出错率问题
• 5.4 容错效果评测方法初探
• 5.4.1 采用JBits SDK
• 5.4.2 采用VHDL
• 5.4.3 外部辐射
• 5.5 应用实例简介
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 未来展望
• 参考文献
• 硕士期间工作成果
• 致谢