FPGA在航天領(lǐng)域有什么應(yīng)用

FPGA在航天領(lǐng)域有什么應(yīng)用1．引言現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Fieldprogrammablegatearrays，F(xiàn)PGA）是一種可編程使用的信號(hào)處理器件，用戶可通過改變配置信息對(duì)其功能進(jìn)行定義，以滿足設(shè)計(jì)需求。與傳統(tǒng)數(shù)字電路系統(tǒng)相比，F(xiàn)PGA具有可編程、高集成度、高速和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，通過配置器件內(nèi)部的邏輯功能和輸入/輸出端口，將原來電路板級(jí)的設(shè)計(jì)放在芯片中進(jìn)行，提高了電路性能，降低了印刷電路板設(shè)計(jì)的工作量和難度，有效提高了設(shè)計(jì)的靈活性和效率。設(shè)計(jì)者采用FPGA的優(yōu)點(diǎn)：（1）減少對(duì)所需器件品種的需求，有助于降低電路板的體積重量；（2）增加了電路板完成后再修改設(shè)計(jì)的靈活性；（3）設(shè)計(jì)修改靈活，有助于縮短產(chǎn)品交付時(shí)間；（4）器件減少后，焊點(diǎn)減少，從而可提高可靠度。尤其值得一提的是，在電路運(yùn)行頻率越來越高的情況下，采用FPGA實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜電路功能減小了板級(jí)電路上PCB布線不當(dāng)帶來的電磁干擾問題，有助于保證電路性能。FPGA也是現(xiàn)階段航天專用集成電路（ASIC，Applicationspecificintegratedcircuit）的最佳實(shí)現(xiàn)途徑。使用商用現(xiàn)貨FPGA設(shè)計(jì)微小衛(wèi)星等航天器的星載電子系統(tǒng)，可以降低成本。利用FPGA內(nèi)豐富的邏輯資源，進(jìn)行片內(nèi)冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)，是滿足星載電子系統(tǒng)可靠性要求的一個(gè)好辦法。目前，隨著對(duì)衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展、用戶技術(shù)指標(biāo)的不斷提高以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，功能度集成和輕小型化已經(jīng)成為星載電子設(shè)備的一個(gè)主流趨勢(shì)。采用小型化技術(shù)能夠使星載電子設(shè)備體積減小、重量減輕、功耗降低，提高航天器承載有效載荷的能力以及功效比。采用高功能集成的小型化器件，可以減小印制板的尺寸，減少焊盤數(shù)量，還有利于充分利用冗余技術(shù)提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。星載數(shù)字電路小型化的關(guān)鍵是器件選用，包括嵌人式高集成度器件的選用，其中，高密度可編程邏輯器件FPGA的選用是一個(gè)重要的實(shí)現(xiàn)方式。目前，在航天遙感器的設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA被廣泛地應(yīng)用于主控系統(tǒng)CPU的功能擴(kuò)展CCD圖像傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)序的產(chǎn)生以及高速數(shù)據(jù)采集。本文回顧了FPGA的發(fā)展，分析了其主要結(jié)構(gòu)，并對(duì)航天應(yīng)用FPGA進(jìn)行了綜述。指出了航天應(yīng)用對(duì)FPGA及其設(shè)計(jì)的要求，重點(diǎn)分析了空間輻射效應(yīng)對(duì)FPGA可靠性的影響，并總結(jié)了提高FPGA抗輻照的可靠性設(shè)計(jì)方法。最后，對(duì)航天應(yīng)用FPGA的發(fā)展進(jìn)行了展望。2.FPGA航天應(yīng)用可編程邏輯器件以其設(shè)計(jì)方便、設(shè)計(jì)便于修改、功能易于擴(kuò)展，在航天、空間領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。一種是以Actel公司產(chǎn)品為代表的一次編程反熔絲型FPGA，一種是以Xilinx公司產(chǎn)品為代表的基于SRAM的可重新配置的FPGA。2.1航天應(yīng)用FPGA的分類FPGA按其編程性，目前具有航天成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的FPGA主要有兩類：一類是只能編程一次的一次性編程FPGA。另一類是能多次編程的可重編程FPGA，如SRAM型FPGA、Flash型FPGA，這類FPGA一般具有在系統(tǒng)編程（ISP，Insystemprogramming）能力。2.1.1一次性編程FPGA此類產(chǎn)品采用反熔絲開關(guān)元件，具有體積小、版圖面積小、低抗輻射抗干擾、互連線特性阻抗低的特點(diǎn)，不需要外接PROM或EPROM，掉電后電路的配置數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，上電后即可工作，適用于航天、軍事、工業(yè)等各領(lǐng)域。這類產(chǎn)品中，具有代表性并已取得航天應(yīng)用成功經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)品是ACTEL公司的抗輻射加固反熔絲型FPGA。與傳統(tǒng)FPGA平面型散布的邏輯模塊、連線、開關(guān)矩陣的布局不同，反熔絲型FPGA采用緊湊、網(wǎng)格化密集布局的平面邏輯模塊結(jié)構(gòu)。利用位于上下邏輯模塊層之間、金屬對(duì)金屬的可編程反熔絲內(nèi)部連接元件實(shí)現(xiàn)器件的連接，減小了通道和布線資源所占用的空間。在編程之前，該連接元件為開路狀態(tài)，編程時(shí)，反熔絲結(jié)構(gòu)局部的小區(qū)域內(nèi)具有足夠高的電流密度，瞬間產(chǎn)生較大的熱功耗，融化絕緣層介質(zhì)形成永久性通路。2.1.2可重編程FPGA此類產(chǎn)品采用SRAM或FlashEPROM控制的開關(guān)元件，其優(yōu)點(diǎn)是可反復(fù)編程。配置程存放在FPGA外的存儲(chǔ)器中，系統(tǒng)上電時(shí)，配置程加載到FPGA中完成硬件功能的定制化。其中，SRAM型FPGA還可以在系統(tǒng)運(yùn)行中改變配置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的動(dòng)態(tài)重構(gòu)。但是，此類FPGA掉電后存儲(chǔ)的用戶配置邏輯會(huì)丟失，只能上電后重新由外部存儲(chǔ)器加載。FlashEPROM型FPGA具有非易失性和可重構(gòu)的雙重優(yōu)點(diǎn)，但不能動(dòng)態(tài)配置，功耗也比SRAM型FPGA高。此類FPGA由于配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FPGA內(nèi)的SRAM存儲(chǔ)器中，可編程邏輯開關(guān)采用多路選擇器實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部邏輯功能采用基于SRAM結(jié)構(gòu)的查找表實(shí)現(xiàn)，這些部位都屬于單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)敏感型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。因此，在航天應(yīng)用中要特別注意。具有代表性的、并取得航天應(yīng)用成功經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)品是Xilinx公司的基于SRAM型Virtex系列的FPGA產(chǎn)品。2.2FPGA航天應(yīng)用現(xiàn)狀FPGA在國內(nèi)外的航天、空間領(lǐng)域，特別是商用衛(wèi)星得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在國內(nèi)外深空探測(cè)、科學(xué)及商用衛(wèi)星共60個(gè)項(xiàng)目中都用到了FPGA，軍用衛(wèi)星項(xiàng)目中也有多個(gè)項(xiàng)目用到FPGA。2.2.1ActeFPGA的航天應(yīng)用Actel的耐輻射和抗輻射FPGA自從在1997年火星探路者（MarsPathfinder）以及隨后的勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)任務(wù)中取得成功后，其FPGA繼續(xù)用于NASA、ESA的火星探測(cè)任務(wù)。Actel的耐輻射和抗輻射器件用于火星探測(cè)器的控制計(jì)算機(jī)，執(zhí)行從地球到火星6個(gè)月飛行的導(dǎo)航功能。在火星探索者漫游器（ExplorerRover）的照相機(jī)、無線通信設(shè)備中均采用了Actel器件。ESA的火星快車軌道衛(wèi)星中，固態(tài)記錄器使用了20多個(gè)ActelFPGA器件。Actel公司的FPGA器件已用于德國航天領(lǐng)域（DLR）雙光譜紅外探測(cè)（BIRD）衛(wèi)星中。BIRD是全球首個(gè)采用紅外傳感器技術(shù)的衛(wèi)星，以探測(cè)和研究地球上的高溫事件，如森林山火、火山活動(dòng)、油井和煤層燃燒等。超過20個(gè)高可靠性FPGA用干衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)器管理、接口和控制、協(xié)處理以及紅外攝影機(jī)的傳感器控制等多個(gè)關(guān)鍵性功能中。2.2.2XilinxFPGA的航天應(yīng)用同ACTEL相比，Xilinx公司用于航天、空間領(lǐng)域的產(chǎn)品研制較晚，但是，其功能強(qiáng)大、性能高、可重新配置的民用塑封產(chǎn)品向宇航級(jí)產(chǎn)品的過渡、全面提高抗空間輻射能力，逐漸成為空間電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中常用的FPGA產(chǎn)品，并將獲得越來越廣泛的應(yīng)用。Xilinx的Virtex耐輻射FPGA被用于2003年發(fā)射的澳大利亞的軍民混用通信衛(wèi)星OptusCL，在衛(wèi)星的UHF有效載荷中，XilinxVirtexFPGA（XQVB300）用來實(shí)現(xiàn)地球數(shù)據(jù)的信號(hào)處理算法，并使用了Xilinx提供的IP核。Xilinx的加固FPGAXQR4062XL被用于2002年發(fā)射的澳大利亞科學(xué)衛(wèi)星Fedsat（聯(lián)合衛(wèi)星，用于研究磁層）的高性能計(jì)算有效載荷。HPC-1是第一例在星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行中采用FPGA實(shí)現(xiàn)了可配置計(jì)算技術(shù)RCT。目前正在開發(fā)的RHC-II將使用XilinxFPGA實(shí)現(xiàn)星上數(shù)據(jù)處理。此外，GRACE（NASA）的敏感器中使用了XQR4O36XL產(chǎn)品。在火星探測(cè)漫游器Discovery和Spirit中都成功應(yīng)用了XilinxFPGA產(chǎn)品。兩片宇航FPGAVirtexTMFPGAXQVR100O被用于火星漫游器車輪電機(jī)控制、機(jī)械臂控制和其他儀表中，4片耐輻照4000系列的FPGAXQR4062XL用于控制火星著陸器的關(guān)鍵點(diǎn)火設(shè)備，保證著陸器按規(guī)定程序下降及成功著陸。歐洲第一個(gè)彗星軌道器和著陸器ROSETTA上總共有45片F(xiàn)PGA，都選用ACTELRT14I00A，承擔(dān)了控制、數(shù)據(jù)管理、電源管理等重要功能，并且飛行中任何一片F(xiàn)PGA都不得斷電。Xilinx最新發(fā)布的Virtex-5QVFPGA具有非常高的抗輻射性，TID耐性為700kraD以上，SEU（Sin-gleEventUpset，單粒子翻轉(zhuǎn)）閂鎖（LatchUp）耐性超過100MeV·cM2/Mg，主要面向人造衛(wèi)星和宇宙飛船上的遙感處理、圖像處理以及導(dǎo)航儀等用途。因此，基于FPGA系統(tǒng)構(gòu)成無需為了輻射措施而增加冗余，可以削減系統(tǒng)開發(fā)所需要的時(shí)間和成本。其規(guī)模也達(dá)到了13萬個(gè)邏輯單元，集成了最高速度為3.125Gbit/s的高速收發(fā)器，并強(qiáng)化了DSP功能，作為航天領(lǐng)域用FPGA中屬業(yè)界最高水準(zhǔn)。3.輻射效應(yīng)及其影響航天、空間電子設(shè)備由于其所處的軌道以及使用環(huán)境的不同，受到的輻射影響也不相同。從總體上來說，對(duì)FPGA影響比較大的輻射效應(yīng)主要有：總劑量效應(yīng)（TID：TotalionizingDose）、單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU：Singleeventupset）、單粒子閂鎖（SEL：Singleeventlatchup）、單粒子功能中斷（SEFI：Singleeventfunc-tionalinterrupt）、單粒子燒毀（SEB：Singleeventburnout）、單粒子瞬態(tài)脈沖（SET：Singleeventtran-射效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理不盡相同，引起FPGA的失效形式也不同?？倓┝啃?yīng)：光子或高能離子在集成電路的材料中電離產(chǎn)生電子空穴對(duì)，最終形成氧化物陷阱電荷或者在氧化層與半導(dǎo)體材料的界面處形成界面陷阱電荷，使器件的性能降低甚至失效。單粒子翻轉(zhuǎn)：具有一定能量的重粒子與存儲(chǔ)器件或邏輯電路PN結(jié)發(fā)生碰撞，在重粒子運(yùn)動(dòng)軌跡周圍形成的電荷被靈敏電極收集并行成瞬態(tài)電流，如果電流超過一定值就會(huì)觸發(fā)邏輯電路，形成邏輯狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)。單粒子翻轉(zhuǎn)敏感區(qū)域是指FPGA中易于受到單粒子效應(yīng)影響的區(qū)域，包括FPGA的配置存儲(chǔ)器、DCM、CLB、塊存儲(chǔ)區(qū)域。單粒子閂鎖：CMOS器件的PNPN結(jié)構(gòu)成了可控硅結(jié)構(gòu)。質(zhì)子或重粒子的入射可以觸發(fā)PNPN結(jié)導(dǎo)通，進(jìn)入大電流再生狀態(tài)，產(chǎn)生單粒子閂鎖。只有降低電源電壓才能退出閂鎖狀態(tài)。單粒子功能中斷：質(zhì)子或重粒子入射時(shí)引起器件的控制邏輯出現(xiàn)故障，進(jìn)而中斷正常的控制功能。FPGA中單粒子功能中斷的敏感部分為配置存儲(chǔ)器、上電復(fù)位電路、SelectMAP接口和JATAG接口。單粒子燒毀：入射粒子產(chǎn)生的瞬態(tài)電流導(dǎo)致敏感的寄生雙極結(jié)晶體管導(dǎo)通。雙極結(jié)晶體管的再生反饋機(jī)制造成收集結(jié)電流不斷增大，直至產(chǎn)生二次擊穿，造成漏極和源極的永久短路，燒毀電路。FPGA發(fā)生單粒子燒毀的概率較小。單粒子瞬態(tài)脈沖：帶電粒子入射產(chǎn)生的瞬態(tài)電流脈沖影響到下一級(jí)邏輯電路的輸入，造成該邏輯電路輸出紊亂。單粒子瞬態(tài)脈沖可能引起FPGA內(nèi)部邏輯電路的短時(shí)錯(cuò)誤。單粒子瞬態(tài)脈沖對(duì)于＜0.25μM工藝的FPGA影響較大。位移損傷：?jiǎn)瘟Ｗ游灰茡p傷是單個(gè)粒子入射引起晶格原子移位、形成缺陷群、引起的永久性損傷。上述輻射效應(yīng)對(duì)FPGA造成的影響有的是永久性的，如總劑量效應(yīng)、單粒子燒毀、位移損傷；有的是能夠恢復(fù)的，如單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子功能中斷、單粒子瞬態(tài)脈沖。以上單粒子效應(yīng)中SEL、SEB和SEGR均有可能對(duì)器件造成永久性損傷。因此，一般星上系統(tǒng)都會(huì)采用抗SEL的器件。SEU和SET雖然是瞬時(shí)影響，但其發(fā)生率遠(yuǎn)高于以上3種，反而更應(yīng)引起重視。接下來根據(jù)對(duì)上述輻射影響的分析，研究提高FPGA抗輻射效應(yīng)的可靠性設(shè)計(jì)方法。隨著SRAM型的FPGA隨著工藝水平的提高、規(guī)模的增大和器件核電壓的降低，抗總劑量效應(yīng)性能不斷提高，但是更容易受SEU和SET的影響。針對(duì)單粒子效應(yīng)的問題，MAPLD、NSREC、RADECS會(huì)議提交的報(bào)告認(rèn)為，Virtex-II系列產(chǎn)品抗總劑量輻射能力達(dá)到200krad，抗SEL的能力為LET160MeV·cm/mg以下無閂鎖，同時(shí)，需要考慮SEU、SET、SEFL等單粒子效應(yīng)4.航天應(yīng)用FPGA的可靠性設(shè)計(jì)在航天、空間電子設(shè)備中，F(xiàn)PGA主要用于替換標(biāo)準(zhǔn)邏輯，還用于SOC技術(shù)，提供嵌人式微處理器、存儲(chǔ)器、控制器、通信接口等。其中，可靠性是FPGA設(shè)計(jì)的主要需求。根據(jù)功能及其重要性的不同，空間電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為關(guān)鍵與非關(guān)鍵兩大類，航天器控制為關(guān)鍵類，科學(xué)儀表為非關(guān)鍵類。航天器控制系統(tǒng)對(duì)FPGA的一般需求：高可靠、抗輻射加固和故障安全?？茖W(xué)儀器對(duì)FPGA的設(shè)計(jì)要求一般為高性能、耐輻射和失效安全，其可靠性則是由性能需求決定的，對(duì)FPGA的需求也因系統(tǒng)而異，如測(cè)量分辨率、帶寬、高速存儲(chǔ)、容錯(cuò)能力等。航天用FPGA的可靠性設(shè)計(jì)主要通過器件自身的硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。4.1FPGA的硬件可靠性設(shè)計(jì)FPGA的硬件可靠性設(shè)計(jì)主要是針對(duì)空間輻射效應(yīng)的影響，借助制造工藝和設(shè)計(jì)技術(shù)較為徹底地解決了單粒子效應(yīng)防護(hù)問題。一般從以下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：FPGA整體設(shè)計(jì)加固、內(nèi)部設(shè)計(jì)間接檢測(cè)輻射效應(yīng)的自檢模塊、引入外部高可靠性的監(jiān)測(cè)模塊。整體加固設(shè)計(jì)是指在電子設(shè)備的外面采用一定厚度的材料進(jìn)行整體輻射屏蔽，減少設(shè)備所受的輻射效應(yīng)，經(jīng)常采用的材料有鋁、鉭和脂類化合物等。這種方法在航天電子元器件中使用較多，也比較成熟。例如，作為美國軍用微電子產(chǎn)品主要供應(yīng)商的Honeywell，加固ASIC技術(shù)覆蓋范圍寬。Aeroflex采用“設(shè)計(jì)加固、商用IC工藝線流片”的方式提供性能先進(jìn)的加固ASIC產(chǎn)品，具備數(shù)?；旌霞庸藺SIC的研制能力。這種采用商業(yè)線流片生產(chǎn)軍用和加固微電子產(chǎn)品的技術(shù)線路，既有利于擺脫工藝加固對(duì)器件發(fā)展的約束，又有利于滿足用戶對(duì)先進(jìn)加固器件的需求，降低成本，縮短供貨時(shí)間。Atmel為用戶提供了高性能、小尺寸、低功耗的各類器件的工藝資源，包括用于航天的耐輻照高速、低功耗數(shù)?；旌螩MOS工藝以及內(nèi)嵌EEPROM的CMOS工藝。國內(nèi)從事軍用微電子器件研制的單位很多，包括國有科研單位和非國有IC研制公司。但是，能夠完成抗輻照加固IC研制的單位并不多。國內(nèi)自行研制的加固ASIC產(chǎn)品已經(jīng)在衛(wèi)星中得到了成功應(yīng)用。采用體硅外延層，也可以防止發(fā)生SEI。例如，Xilinx的virtex-II耐輻射產(chǎn)品是在軍品等級(jí)器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用外延襯底設(shè)計(jì)，抗總劑量電離效應(yīng)能力按照MIL-STD-883Method1019進(jìn)行批次采樣考核。自檢模塊的目的是通過某些模塊的正常運(yùn)行來預(yù)測(cè)整個(gè)FPGA運(yùn)行的正常性。自檢模塊由分布在FPGA重要布線區(qū)域附近的簡(jiǎn)單邏輯電路實(shí)現(xiàn)，也可以由多模冗余模塊表決結(jié)果或者余數(shù)檢測(cè)法以及奇偶校驗(yàn)法等其他產(chǎn)生的結(jié)果直接提供輸出。4.2FPGA的軟件可靠性設(shè)計(jì)航天應(yīng)用FPGA的軟件可靠性設(shè)計(jì)是指應(yīng)用軟件程序配置來屏蔽輻射效應(yīng)造成的運(yùn)行失常。其中，冗余設(shè)計(jì)方法是被公認(rèn)為比較可靠的對(duì)付輻射效應(yīng)的方法。常用的冗余設(shè)計(jì)有三模冗余法（TMR，Triplemoduleredundancy）和部分三模冗余法（PTMR，Partialtriplemoduleredundancy）。雖然TMR能夠提高系統(tǒng)的可靠性，但也會(huì)使模塊速度降低、占用資源和功率增加。綜合考慮其他設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)關(guān)鍵部分使用部分三模冗余法。冗余結(jié)構(gòu)盡管可以保證系統(tǒng)可靠性，但卻不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤，或?yàn)榘l(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤而引入了過多的組合邏輯，當(dāng)應(yīng)用于FPGA時(shí)，增加了容錯(cuò)電路自身出錯(cuò)的可能性。除此之外，星載系統(tǒng)無人值守的運(yùn)行特點(diǎn)使得系統(tǒng)重構(gòu)與故障恢復(fù)也非常困難。對(duì)配置存儲(chǔ)器的回讀校驗(yàn)和重配置（或局部重配置）是一種有效的抵抗輻射效應(yīng)的方法，通過對(duì)部分配置的重加載能夠修復(fù)SEU效應(yīng)造成的影響，其頻率應(yīng)是最壞情況SEU效應(yīng)發(fā)生率的10倍。在重加載邏輯設(shè)計(jì)中，需要對(duì)重加載的實(shí)現(xiàn)方式、加載內(nèi)容進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計(jì)，并不是所有的內(nèi)容都可以重加載，也不是所有的內(nèi)容都需要重新配置。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用高可靠性的反熔絲FPGA負(fù)責(zé)從非易失大容量存儲(chǔ)器中讀取XilinxFPGA的配置數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行配置。在運(yùn)行期間，對(duì)最容易受輻射效應(yīng)影響的配置存儲(chǔ)器按列進(jìn)行讀操作，然后與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的列進(jìn)行局部重配置。FPGA