星载扩频应答机抗单粒子翻转的设计研究

摘要：星载扩频应答机采用软件无线电的设计理念，射频模块硬件电路得到简化，核心信号处理模块通过大规模现场可编程门阵列（FPGA）实现，但存在单粒子效应影响产品功能。本文分析了当前四种抗单粒子翻转（SEU）设计方法，结合扩频应答机工作的任务特点，设计、提出了回读监控的设计方案并在某卫星型号中成功应用，最后提出了进一步研究建议。

关键词：扩频应答机 抗单粒子翻转 SRAM型FPGA 回读重配置

中图分类号：TN927 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）04-0140-02

1 前言

星载扩频应答机，在航天测控系统中承担重要的卫星通信和测量功能，用以完成卫星遥控、遥测、测距、测速等具体任务。相对于传统应答机技术，星载扩频应答机由于在测量精度、抗干扰、抗截获方面具有突出的技术优势而获得了广泛应用，但也有基带算法复杂、运算量大的问题。因而，产品设计方案一般采用300～600万门的SRAM型FPGA器件来完成复杂算法任务。

在空间辐射环境中，空间高能粒子入射而引起SRAM型FPGA单粒子翻转，影响星载产品工作。单粒子翻转若发生在逻辑功能区，可能导致星载产品功能中断；如果翻转发生在RAM单元，可能导致数据传输错误或者丢失[1]。因此，本文研究分析了目前主流抗单粒子翻转技术，提出了星载扩频应答机针对SRAM型FPGA的回读监控设计方案及工作流程，最后探讨了后续单粒子防护可改进方面。

2 主流抗单粒子翻转技术

我国空间应用的SRAM型FPGA，主要集中在Xilinx公司的Virtex和Virtex-II系列，广泛应用于各类星载产品中。随着SRAM型FPGA在轨使用数量的增加，FPGA容易发生单粒子翻转的问题日益凸显出来，我国宇航研究人员主要提出了如下四种抗单粒子翻转方法：ASIC芯片设计、三模冗余（TMR）设计、采用反熔丝型FPGA和回读重配置。

2.1 ASIC芯片设计

ASIC芯片设计的抗单粒子翻转，是针对SEU产生的机理，将SRAM型FPGA具体通过ASIC芯片来设计实现，并在ASIC芯片的研制过程中采用底层抗单粒子加固设计和芯片工艺，提高芯片抗SEU能力。该方案可简化硬件电路和降低功耗，但芯片设计开发周期长、成本高和定型后无法灵活更改设计，是该方案所面临的难题。

2.2 三模冗余（TMR）设计

三模冗余也叫三取二，是一种通过软硬件资源冗余配置来提高设备可靠性的设计技术[2]。硬件三模冗余的基本思想是：输入数据同时送入三个实现相同功能的模块，将各个模块输出的数据送到一个多数表决器，进行三选二多数有效的判定，保证输出数据正确。

该方案的优点在于可靠性高，通过硬件冗余的方式提高可靠性；缺点是需要三倍硬件备份，这样产品的资源、面积和功耗都会大幅增加。以星载扩频应答机为例，目前设计采用一片600万门SRAM型FPGA，资源利用率在75%左右，若采用全三模冗余设计，产品方案难以满足大幅提高的资源和功耗要求。

2.3 采用反熔丝型FPGA

应用反熔丝型FPGA的抗单粒子翻转技术，是由于反熔丝型FPGA对单粒子不敏感，单粒子翻转概率低，因此该技术的核心思想，是采用反熔丝型FPGA替代SRAM性FPGA来实现复杂算法。目前，在星载的综合电子类产品，已广泛采用反熔丝型FPGA，有效提高了产品抗单粒子能力，但星载扩频应答机由于其算法规模庞大，需至少400万门以上反熔丝FPGA才能实现全部功能，目前国内尚无满足宇航应用的400万门以上反熔丝FPGA器件。

2.4 回读重配置

回读重配置技术，是对SRAM型FPGA配置存储器进行单粒子翻转检测。由于SRAM型FPGA的逻辑功能由配置信息决定，配置信息存储在FPGA内部的配置存储器中，所以一旦配置存储器发生单粒子翻转，将引起FPGA逻辑功能异常。

回读重配置，是对SRAM型FPGA的配置信息进行动态回读，发现配置信息出错后，对配置信息进行部分重加载或者重新加载FPGA[3]。通过实时或定时回读判断检测，可以检测配置存储器是否发生单粒子翻转，为SRAM型FPGA提供有力的抗单粒子检测措施。回读重配置的缺点，主要是回读的配置信息无法体现Half-latch、SRL16、LUT RAM和BlockRAM的状态，需在软件设计中避免使用这些模块，加大软件设计难度[4]。

综上所述，四种抗单粒子翻转技术的优缺点比较如下表1所示。从效果来说三模冗余设计最可靠，但资源配置要求最高，适用于硬件资源要求小的设计方案；ASIC芯片设计适用于设计输入要求固定、产品配套数量大的设计方案；反熔丝FPGA设计适用于设计输入要求固定、且软硬件资源要求较小（逻辑门数小于200万门）的产品设计；回读重配置可靠度较高，增加少量的硬件资源就可以实现单粒子检测。通过上述优缺点分析，星载产品需根据产品自身任务特点，合理设计抗单粒子方案。

3 星载扩频应答机的回读监控方案设计

星载扩频应答机，承担卫星遥控、遥测、测距、测速任务，需同时对多路高动态测控信号进行扩频捕获、跟踪处理，此外还需完成多路下行测控信号的发射，设计需要消耗大量硬件资源，采用一片Xilinx公司的Virtex II系列600万门FPGA芯片来实现。根据实际分析，产品设计中采用回读重配置设计，增加回读监控电路，可提高产品抗单粒子翻转能力。

回读监控电路，是回读重配置设计的实现，具体是对SRAM型FPGA配置信息进行回读与CRC校验，将计算得到的CRC校验值与正确配置信息的CRC校验值进行比对，当比对出错时认为发生单粒子翻转，对SRAM型FPGA进行重配置以恢复工作状态。

3.1 回读监控硬件电路

回读监控电路利用反熔丝FPGA （A54SX72A）实时读取SRAM型FPGA配置信息进行CRC校验计算，并与预置正确配置信息的CRC校验值进行比对，从而判断SRAM型FPGA是否发生单粒子翻转。

回读监控硬件框图如图1所示，回读监控功能采用ACTEL公司的反熔丝FPGA芯片A54SX72A实现。上电后，回读监控电路根据遥控指令从SRAM型FPGA中回读配置信息并计算CRC值，与预置PROM配置信息CRC值比对。若比对不一致，输出重配置信号PROG_B，控制SRAM型FPGA从PROM存储芯片中读取配置信息重配置。

3.2 回读监控软件流程

回读监控软件，主要在反熔丝FPGA中实现，完成对SRAM型FPGA的配置信息回读、计算CRC校验值并与预置CRC正确值进行比对，比对不一致则输出重加载信号PROG_B对SRAM型FPGA进行程序重配置。

回读监控软件的工作流程如图2所示，具体如下：

（1）初始化和复位：上电复位或复位指令作用时，反熔丝FPGA对SRAM型FPGA输出重加载信号，对SRAM型FPGA进行初始化。

（2）SRAM型FPGA加载：SRAM型FPGA从PROM存储芯片中加载配置信息。

（3）启动回读：加载成功后启动回读，反熔丝FPGA向SRAM型FPGA写入回读配置字；

（4）读取配置信息：反熔丝FPGA从SRAM型FPGA中回读出配置信息；

（5）计算CRC：将读出的配置信息计算CRC校验值；

（6）CRC比对：将计算得到的CRC校验值与预设值进行比对，比对正确表明未发生单粒子翻转；反之则发生单粒子翻转，对SRAM型FPGA进行程序重配置。

其中CRC校验采用Xilinx公司针对芯片提供的32位CRC校验，初始值设为0，采用8位并行CRC校验模式。

4 结语

本文设计的星载扩频应答机回读监控方案，已经成功应用于某卫星型号扩频应答机，通过卫星全过程地面电联试和地面环境模拟试验验证，并通过一年在轨常加电工作考核。目前该扩频应答机在轨工作功能、性能指标正常，未发生单粒子翻转导致单机功能异常的故障现象。通过产品在轨无故障工作经历，验证了回读监控电路对提高扩频应答机抗单粒子翻转能力的有效性。

在现有抗单粒子设计方案上，当扩频应答机检测到单粒子翻转时，需要对SRAM型FPGA重配置，将产生短时工作中断，需对重配置的时机进行进一步合理研究，以作为设计方案的补充内容。

参考文献

[1]邢克飞，杨俊，王跃科，等.Xilinx SRAM型FPGA抗辐射设计技术研究[J].宇航学报.2007，28（1）：123-129.

[2]李志刚，潘长勇，杨知行.抗单粒子翻转的可重构卫星通信系统[J].宇航学报，2009.30（5）：1752-1756.

[3]马寅.航天用SRAM型FPGA抗单粒子翻转设计[J].航天器环境工程.2011.28（6）：551-556.

[4]周秀娟，叶荣润.Virtex-Ⅱ系列FPGA的回读与部分重配置[J].现代电子技术.2012，35（13）：159-161.