Xilinx FPGA抗輻射設(shè)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(xiàn)三態(tài)腳在發(fā)生錯誤時可以變成輸出腳，還沒有發(fā)現(xiàn)I／O發(fā)生方向轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)計的時候需要慎重考慮。
我們在FPGA內(nèi)分多個區(qū)域，分別采用TMR設(shè)計，減小出錯概率。
3．3 防止關(guān)鍵電路SET引起的抖動
SET在時鐘電路或者其他數(shù)據(jù)、控制線上容易產(chǎn)生短脈沖抖動，這種抖動有可能會造成電路的誤觸發(fā)或者數(shù)據(jù)鎖存的錯誤。為了減少這種短脈沖抖動的影響，在設(shè)計時可采用如下方法：
(1)內(nèi)部復位電路盡可能使用同步復位；
(2)控制線盡可能配合使能信號線使用；
(3)組合邏輯數(shù)據(jù)在鎖存時盡可能配合使能信號。
也就是說，盡量在觸發(fā)邏輯中配合另一個使能條件，這樣就可以屏蔽由SET產(chǎn)生的大部分抖動。
3．4 系統(tǒng)監(jiān)控與重配置(Configuration Scrubbing)
在某些設(shè)計壽命不是很長的衛(wèi)星中，COTS器件的應用已經(jīng)成為可能，在類似的信號處理或者星務管理平臺中，采用一種金字塔形體系結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)對其進行配置，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行讀操作，然后與標準數(shù)據(jù)進行比對，對出現(xiàn)錯誤的列進行局部重配置。
另外，也可以通過對回讀數(shù)據(jù)進行CRC校驗來檢驗配置存儲器是否出現(xiàn)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通過部分重置刷新配置存儲器，通過連續(xù)重置修復SEU，Scrub速度至少十倍于最壞的SEU速度?？梢酝ㄟ^兩條途徑來實現(xiàn)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(xù)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(jié)論
文章結(jié)合實際工程實踐給出了解決常見的FPGA輻射失效問題的一些方法；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(zhuǎn)和鎖定均具有相應對策，如發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)或鎖定只對單機的部分功能有影響，都可以通過切機或重新加電消除影響。本文給出的有關(guān)大規(guī)?？膳渲秒娮悠骷脑O(shè)計方法可以為航天電子設(shè)備的設(shè)計提供參考。