Xilinx FPGA抗輻射設計技術(shù)研究

FPGA的可編程I／O也容易受到輻射粒子的影響產(chǎn)生SEU和SEL(目前只發(fā)現三態(tài)腳在發(fā)生錯誤時(shí)可以變成輸出腳，還沒(méi)有發(fā)現I／O發(fā)生方向轉換(即輸入變成輸出或者輸出變成輸入)。輸入輸出腳的三倍冗余設計是一種非常有效的方法，尤其是對因為配置存儲器發(fā)生單粒子效應的情況下，但是這種方法需要占用三倍的I／O資源，所以設計的時(shí)候需要慎重考慮。
我們在FPGA內分多個(gè)區域，分別采用TMR設計，減小出錯概率。
3．3 防止關(guān)鍵電路SET引起的抖動(dòng)
SET在時(shí)鐘電路或者其他數據、控制線(xiàn)上容易產(chǎn)生短脈沖抖動(dòng)，這種抖動(dòng)有可能會(huì )造成電路的誤觸發(fā)或者數據鎖存的錯誤。為了減少這種短脈沖抖動(dòng)的影響，在設計時(shí)可采用如下方法：
(1)內部復位電路盡可能使用同步復位；
(2)控制線(xiàn)盡可能配合使能信號線(xiàn)使用；
(3)組合邏輯數據在鎖存時(shí)盡可能配合使能信號。
也就是說(shuō)，盡量在觸發(fā)邏輯中配合另一個(gè)使能條件，這樣就可以屏蔽由SET產(chǎn)生的大部分抖動(dòng)。
3．4 系統監控與重配置(Configuration Scrubbing)
在某些設計壽命不是很長(cháng)的衛星中，COTS器件的應用已經(jīng)成為可能，在類(lèi)似的信號處理或者星務(wù)管理平臺中，采用一種金字塔形體系結構可以大大提高平臺的可靠性，有效地抵抗各種輻射效應引起的可恢復故障。
Actel高可靠性的反熔絲FPGA負責從非易失大容量存儲器中讀取Xilinx FPGA的配置數據對其進(jìn)行配置，然后在運行期間，對最容易受輻射效應影響的配置存儲器按列進(jìn)行讀操作，然后與標準數據進(jìn)行比對，對出現錯誤的列進(jìn)行局部重配置。
另外，也可以通過(guò)對回讀數據進(jìn)行CRC校驗來(lái)檢驗配置存儲器是否出現錯誤。
對配置存儲器的回讀校驗和重配置(或局部重配置)是一種有效的抵抗輻射效應的方法。

Scrubbing通過(guò)部分重置刷新配置存儲器，通過(guò)連續重置修復SEU，Scrub速度至少十倍于最壞的SEU速度?？梢酝ㄟ^(guò)兩條途徑來(lái)實(shí)現Scru-bbing，第一條途徑是回讀、比較、修復(closed-loop scrubbing))，第二條途徑是連續重置(open-loop scrubbing) 并不是所有的資源都可以被scrubbed的，比如SRL16s、LUT RAM、BRAM、BRAM data就不能被scrubbed，可以使用BRAM多模冗余或EDAC算法。
也并不是所有的資源都需要被scrubbed，大部分routing bits不需要scrubbed。

4 結論
文章結合實(shí)際工程實(shí)踐給出了解決常見(jiàn)的FPGA輻射失效問(wèn)題的一些方法；對FPGA在電源輸入端使用限流電阻，信號處理板采用雙機冷備份，對于單粒子翻轉和鎖定均具有相應對策，如發(fā)生單粒子翻轉或鎖定只對單機的部分功能有影響，都可以通過(guò)切機或重新加電消除影響。本文給出的有關(guān)大規?？膳渲秒娮悠骷脑O計方法可以為航天電子設備的設計提供參考。