宇航用FPGA单粒子效应及监测方法研究

摘要

近年来可编程门阵列(FPGA)以其高集成度、可编程等优点在宇航体系中的应用越来越广泛,应用于该领域的FPGA主要有SRAM型、Flash型和反熔丝型。但同时空间中以单粒子效应为代表的辐射效应也对FPGA可靠性造成了严重威胁。
　　 本文主要针对宇航用FPGA,特别是基于SRAM的FPGA的单粒子效应展开研究。首先讨论了单粒子效应的原理以及各类单粒子效应的形成机制。同时在掌握空间环境特点和各类单粒子效应的机理的基础上,主要针对宇航用基于SRAM型FPGA的内部结构及可能出现的单粒子事件展开分析。发现单粒子翻转和单粒子功能中止会影响到FPGA的多个模块,对整个器件可靠性影响巨大,需要着重考虑。
　　 本文另外一个关键点是如何监测宇航用FPGA中的单粒子事件。在调研大量国外资料的基础上,结合试验原理及试验数据讨论了内建自测试、瞬态激光测试、重离子试验和质子试验四类主要的单粒子试验和监测方法。其中重离子试验是一种最贴近实际的也是在国内外使用率较高的试验方法,本文对其做了着重研究,对其静态测试、动态测试以及功能中止测试方面研究了具体的测试方法。此外,本文还研究了FPGA单粒子地面模拟试验中的试验监测数据处理方法。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 FPGA概述

1.2 FPGA在空间领域中的应用

1.2.1 国外FPGA的单粒子效应的研究历史及进展

1.2.2 国内的FPGA的单粒子效应的研究进展

1.3 本课题的研究目的和主要研究内容

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容和技术途径

1.3.3 论文安排

第二章 单粒子效应原理

2.1 空间辐射环境

2.2.单粒子效应的机理

2.3 单粒子效应的分类

2.3.1 单粒子翻转(SEU)

2.3.2 多位翻转(MBU)

2.3.3 单粒子瞬态扰动(SET)

2.3.4 单粒子闩锁(SEL)

2.3.5 单粒子功能中止(SEFI)

2.3.6 单粒子烧毁(SEB)

2.3.7 单粒子栅穿(SEGR)

2.4 关于单粒子效应的重要概念

2.5 本章小结

第三章 FPGA单粒子效应的机理

3.1 基于反熔丝的FPGA

3.2 基于Flash的FPGA

3.3 基于SRAM的FPGA构造及单粒子效应

3.3.1 可配置逻辑块(CLB)

3.3.2 块存储器(Block SelectRAM)

3.3.3 输入输出模块(IOB)

3.3.4 布局布线资源

3.4 本章小结

第四章 FPGA单粒子效应试验及监测方法

4.1 内建自测试单粒子模拟(BIST)

4.1.1 方法原理

4.1.2 单粒子瞬态脉冲特性

4.1.3 电脉冲产生

4.2 激光器单粒子模拟

4.2.1 激光器模拟原理

4.2.2 激光器模拟设备

4.2.3 激光器模拟监测方法

4.3 重离子地面模拟试验

4.3.1 重离子试验原理

4.3.2 重离子源

4.3.3 重离子试验方法

4.4 质子地面模拟试验

4.5 本章小结

第五章 FPGA单粒子效应试验数据处理

5.1 回读数据处理

5.1.1 单粒子翻转统计

5.1.2 单粒子翻转定位

5.2 单粒子事件截面及阈值计算

5.3 单粒子事件在轨发生概率预估

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献