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    单粒子效应在线检测系统设计与实现

    时间:2020-12-10 08:02:14 来源:雅意学习网 本文已影响 雅意学习网手机站

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      摘要 辐照试验作为航天器上各种电子元器件抗辐性能评估的重要手段,目的是通过试验前后的对比测试积累数据;但单粒子辐照试验相对特殊,其单粒子效应只会发生在上电过程中,且检测到的数据也无法直接远距离传回监控室。因此,为了满足试验要求,提出并设计了基于高速串行收发器(GTX)+光模块(SFP)的实时传输系统。经调试,该检测系统在1.25Gb/s传输速率下,性能稳定未出现误码现象;并已成功应用到多个项目的单粒子辐照试验中,证明了设计的正确性,达到了预期目的。
      【关键词】单粒子效应 吉比特串行收发器 光模块 8b/10b编解码
      航天器上各种载荷组件受空间辐射后性能退化会影响其工作精度和可靠性,严重时会导致载荷组件功能的永久失效。国外研究辐照效应早期主要关注电离总剂量效应,但随着半导体制造技术的不断发展,CMOS工艺特征尺寸的不断缩减,各种IC集成电路的电离总剂量辐照能力显著提高;器件工作电压也随之降低,在空间应用中愈发突出的是单粒子效应,因此,采用CMOS工艺的IC器件加固设计方法和抗单粒子性能评估成为目前航空航天领域研究的热点。本文介绍的单粒子效应在线检测系统,即是为了满足项目辐照试验需求,开展的相关设计和研究。
      1 系统架构及指标
      单粒子效应试验在线检测系统如图1所示。
      (1)辐照DUT板用于承载被辐照器件;
      (2)检测编码板为被辐照器件提供可监控电流、自动开关切换的电压源;实时读写寄存器的通信接口,并完成试验中检测数据的校验、编码、串化及光传输;
      (3)解码电路完成光/电信号的转换,以及高速串行信号的解串功能,并送进远程控制计算机进行实时监控。
      检测系统具备的主要参数指标见表1。
      2 功能模块设计
      硬件系统的设计主要分为辐照效应检测模块和光纤传输模块两部分。
      2.1 辐照效应检测模块
      2.1.1 辐照DUT电路
      兰州重离子加速器的高能粒子束流稳定可控的出口面积为40mmx40mm,需辐照的电子元器件则放置在出口面积之内进行试验;又由于加速器设备输出的单核能量最高为lx102MeV量级,而实际空间中高能粒子能量集中在lx103MeV到lx107MeV之间,最高可达lx109GeV。回旋加速器模拟的束流粒子几乎不能穿过器件的封装外壳。基于以上两点限制,辐照试验方式只能是单个元器件开盖后逐一进行辐照。而辐照DUT板就是专用于承载被辐照器件的装置。
      2.1.2 效应检测电路设计
      检测电路支持对单粒子锁定(SEL)和单粒子翻转(SEU)两种辐照效应的检测。提供给辐照DUT板us级可监控电流并能自动开关切换的电压源,以及为检测单粒子翻转而设计的实时读写寄存器的通信接口支持SPI、I2C协议。
      单粒子锁定:即CMOS结构电路中由于高能粒子的轰击,出现从电源vcc到地GND的一条低阻通路,造成电流异常增大,若不及时断电解除闩锁,将极大增加航天器上2次电源的负载电流,很大可能造成电源损坏。
      检测框图如图2所示:包括电流检测器INA138和单片机Mega8(10-BIT ADC)两块主芯片。检测原理:对流经检测电阻Rs的电流进行检测,并将其转换成电压信号输出,然后Mega8单片机内含的ADC将其转换成10位并行数字信号送入FPGA,最后上位机通过公式Vo=lsRsRI/5kQ,计算出检测的电流值Is。当检测到的电流值超过设定闽值后,则认为发生了锁定现象,进行断电处理,并对记录该次事件,待恢复2s钟后重新上电,继续辐照。
      单粒子翻转:
      效应原理:即在高能粒子的轰击下,存储数据的CMOS电路结构可能出现1到0或者0到1的异常跳变,造成电路的误动作,如让这种事件响应并传送到下级电路中,将导致航天器中载荷组件的随机故障甚至系统中断。通常的加固设计方法是在执行响应前进行选3取2举手表决,即三模冗余设计。
      检测原理:采用器件所支持的通信协议(SPI或者I2C)实时读取寄存器状态,若远程监控电脑中发现有与预设的状态不符合的寄存器,则重新写入预设的值并对每次翻转错误进行计数,用于试验后故障率的统计计算。
      2.2 光纤传输模块设计
      光纤传输模块是整个检测系统的硬件支撑:由Xilinx公司Xc7k160_ FPGA和Avago公司AFBR-5701 (SFP)光模块构建,并采用低抖动差分时钟参考芯片(CDCM61002),通过外部的上拉下拉电阻,可配置成多种协议的时钟频率输出,实现最高12.5Gb/s的线速率,但为了匹配后端光模块的最大传输速率,本系统设计为1.25Gb/s的传输速率。完成的功能包括试验中检测数据的校验、编解码、相位调整与对齐、时钟修正、通道绑定、串化解串以及光电转换和光传输
      2.2.1 GTX Transceivers收发器
      GTX Transceivers是XILINX FPGA高度集成的可编程IP硬核,支持多种标准的高速串行传输协议如:光纤(Fibre C,hannel)、三模/千兆以太网、GIGE、SATA、PCIE等,具备500Mb/s至12.5Gb/s的传输线速率。它包括物理编码子层(PCS)和物理媒介适配层(PMA)两个子层,其中PMA子层主要用于串化和解串,PCS主要完成数据编码、校验等功能;对于GTX IP核的使用和调试是该系统实现的一大难点,其中需要深刻理解其编码目的和原理,特别注意的是参考时钟设计。
      其一:編码目的及原理。由于传输线速率高达Gb/s,并采用电容进行交流耦合,等效阻抗公式为:
      2c=l/2πf*C
      (1)
      其等效阻抗随频率升高而降低,如果码流中含有连续的“0”或者“1”时,必然增加其等效阻抗,导致损耗增大幅度不断降低,带来的严重后果是无法识别到底是“0”还是“1”(如图3所示),造成误码率升高。
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