内容发布更新时间 : 2024/5/28 20:56:58星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

FPGA技术调研：FPGA在航天领域的应用

1．引言

现 场 可 编 程 门 阵 列 ( Field programmable gatearrays， FPGA) 是一种可编程使用的信号处理器件，用户可通过改变配置信息对其功能进行定义， 以满足设计需求。 与传统数字电路系统相比， FPGA 具有可编程、 高集成度、 高速和高可靠性等优点， 通过配置器件内部的逻辑功能和输入/输出端口， 将原来电路板级的设计放在芯片中进行， 提高了电路性能，降低了印刷电路板设计的工作量和难度， 有效提高了设计的灵活性和效率。 设计者采用 FPGA 的优点：

(1) 减少对所需器件品种的需求， 有助于降低电路板的体积重量； (2) 增加了电路板完成后再修改设计的灵活性； (3) 设计修改灵活， 有助于缩短产品交付时间；

(4) 器件减少后， 焊点减少， 从而可提高可靠度。尤其值得一提的是， 在电路运行频率越来越高的情况下， 采用 FPGA 实现的复杂电路功能减小了板级电路上 PCB 布线不当带来的电磁干扰问题， 有助于保证电路性能。

FPGA 也 是 现 阶 段 航 天 专 用 集 成 电 路 （ASIC, Application specific integrated circuit） 的最佳实现途径。 使用商用现货 FPGA 设计微小卫星等航天器的星载电子系统， 可以降低成本。 利用 FPGA 内丰富的逻辑资源， 进行片内冗余容错设计， 是满足星载电子系统可靠性要求的一个好办法。目前， 随着对卫星技术的不断发展、 用户技术指标的不断提高以及市场竞争的日益激烈， 功能度集成和轻小型化已经成为星载电子设备的一个主流趋势。 采用小型化技术能够使星载电子设备体积减小、 重量减轻、 功耗降低， 提高航天器承载有效载荷的能力以及功效比。 采用高功能集成的小型化器件， 可以减小印制板的尺寸， 减少焊盘数量， 还有利于充分利用冗余技术提高系统的容错能力。 星载数字电路小型化的关键是器件选用， 包括嵌人式高集成度器件的选用，其中， 高密度可编程逻辑器件 FPGA 的选用是一个重要的实现方式。

目前， 在航天遥感器的设计中， FPGA 被广泛地应用于主控系统 CPU 的功能扩展CCD 图像传感器驱动时序的产生以及高速数据采集。本文回顾了 FPGA 的发展， 分析了其主要结构，并对航天应用 FPGA 进行了综述。 指出了航天应用对FPGA 及其设计的要求， 重点分析了空间辐射效应对FPGA 可靠性的影响， 并总结了提高 FPGA 抗辐照的可靠性设计方法。 最后， 对航天应用 FPGA 的发展进行了展望。

2. FPGA 航天应用

可编程逻辑器件以其设计方便、 设计便于修改、功能易于扩展， 在航天、 空间领域中得到了越来越广泛的应用。 一种是以 Actel 公司产品为代表的一次编程反熔丝型 FPGA， 一种是以 Xilinx 公司产品为代表的基于 SRAM 的可重新配置的 FPGA。

2.1 航天应用 FPGA 的分类

FPGA 按其编程性， 目前具有航天成功应用经验的 FPGA 主要有两类： 一类是只能编程一次的一次性编程 FPGA。 另一类是能多次编程的可重编程 FPGA,如 SRAM 型 FPGA、 Flash 型 FPGA， 这类 FPGA 一般具有在系统编程 (ISP, In system programming) 能力。

2.1.1 一次性编程 FPGA

此类产品采用反熔丝开关元件， 具有体积小、版图面积小、 低抗辐射抗干扰、 互连线特性阻抗低的特点， 不需要外接 PROM 或 EPROM， 掉电后电路的配置数据不会丢失， 上电后即可工作， 适用于航天、 军事、 工业等各领域。 这类产品中， 具有代表性并已取得航天应用成功经验的产品是 ACTEL 公司的抗辐射加固反熔丝型 FPGA。与传统 FPGA 平面型散布 的 逻 辑 模 块 、 连 线 、开关矩阵的布局不同， 反熔丝型 FPGA 采用紧凑、 网格化密集布局的平面逻辑模块结构。 利用位于上下逻辑模块层之间、 金属对金属的可编程反熔丝内部连接元件实现器件的连接， 减小了通道和布线资源所占用的空间。 在编程之前， 该连接元件为开路状态， 编程时， 反熔丝结构局部的小区域内具有足够高的电流密度， 瞬间产生较大的热功耗， 融化绝缘层介质形成永久性通路。

2.1.2 可重编程 FPGA

此类产品采用 SRAM 或 Flash EPROM 控制的开关元件， 其优点是可反复编程。 配置程存放在 FPGA外的存储器中， 系统上电时， 配置程加载到 FPGA中完成硬件功能的定制化。 其中， SRAM 型 FPGA 还可以在系统运行中改变配置， 实现系统功能的动态重构。 但是， 此类 FPGA 掉电后存储的用户配置逻辑会丢失， 只能上电后重新由外部存储器加载。 FlashEPROM 型 FPGA 具 有 非 易 失 性 和 可 重 构 的 双 重 优点， 但不能动态配置， 功耗也比 SRAM 型 FPGA 高。此类 FPGA 由于配置数据存储在 FPGA 内 的 SRAM存储器中， 可编程逻辑开关采用多路选择器实现，内部逻辑功能采用基于 SRAM 结构的查找表实现 ，这些部位都属于单粒子翻转效应敏感型半导体结构。因此， 在航天应用中要特别注意。 具有代表性的、并取得航天应用成功经验的产品是 Xilinx 公司的基于SRAM 型 Virtex 系列的 FPGA 产品。

2.2 FPGA 航天应用现状

FPGA 在国内外的航天、 空间领域， 特别是商用卫星得到了广泛的应用。 据统计， 在国内外深空探测、 科学及商用卫星共 60 个项目中都用到了 FPGA，军用卫星项目中也有多个项目用到 FPGA。

2.2.1 Acte FPGA 的航天应用

Actel 的耐辐射和抗辐射 FPGA 自从在 1997 年火星探路者 （Mars Pathfinder） 以及随后的勇气号、 机遇号任务中取得成功后， 其 FPGA 继续用于 NASA、ESA 的火星探测任务。 Actel 的耐辐射和抗辐射器件用于火星探测器的控制计算机， 执行从地球到火星6 个月飞行的导航功能。 在火星探索者漫游器 （ExplorerRover） 的照相机、 无线通信设备中均采用了 Actel 器件。 ESA 的火星快车轨道卫星中， 固态记录器使用了 20 多个 Actel FPGA 器件。Actel 公 司 的 FPGA 器 件 已 用 于 德 国 航 天 领 域 (DLR) 双光谱红外探测 (BIRD) 卫星中。 BIRD 是全球首个采用红外传感器技术的卫星， 以探测和研究地球上的高温事件， 如森林山火、 火山活动、 油井和煤层燃烧等。 超过 20 个高可靠性 FPGA 用干卫星有效载荷数据处理、 存储器管理、 接口和控制、 协处理以及红外摄影机的传感器控制等多个关键性功能中。

2.2.2 Xilinx FPGA 的航天应用

同 ACTEL 相比， Xilinx 公司用于航天、 空间领域的产品研制较晚， 但是， 其功能强大、 性能高、可重新配置的民用塑封产品向宇航级产品的过渡、全面提高抗空间辐射能力， 逐渐成为空间电子产品设计中常用的 FPGA 产品， 并将获得越来越广泛的应用。

Xilinx 的 Virtex 耐辐射 FPGA 被用于 2003 年发射的澳大利亚的军民混用通信卫星 Optus CL， 在卫星的 UHF 有效载荷中， Xilinx Virtex FPGA (XQVB300）用来实现地球数据的信号处理算法， 并使用了 Xilinx提供的 IP 核。

Xilinx 的加固 FPGA XQR4062XL 被用于 2002 年发射的澳大利亚科学卫星 Fedsat （联合卫星， 用于研究磁层） 的高性能计算有效载荷。 HPC-1 是第一例在星载计算机系统的标准运行中采用 FPGA 实现了可配置计算技术 RCT。 目前正在开发的 RHC-II 将使用Xilinx FPGA 实现星上数据处理。

此 外 ， GRACE ( NASA） 的 敏 感 器 中 使 用 了XQR4O36XL 产品。

在火星探测漫游器 Discovery 和 Spirit 中都成功应用了 Xilinx FPGA 产品。 两片宇航 FPGA VirtexTMFPGA XQVR100O 被用于火星漫游器车轮电机控制、机械臂控制和其他仪表中， 4 片耐辐照 4000 系列的FPGA XQR4062XL 用于控制火星着陆器的关键点火设备， 保证着陆器按规定程序下降及成功着陆。欧洲第一个彗星轨道器和着陆器 ROSETTA 上总共有 45 片 FPGA， 都选用 ACTEL RT14I00A， 承担了控制、 数据管理、 电源管理等重要功能， 并且飞行中任何一片 FPGA 都不得断电。

Xilinx 最新发布的 Virtex-5QVFPGA 具有非常高的抗辐射性， TID 耐性为 700 kraD 以上， SEU （Sin-gle Event Upset， 单粒子翻转） 闩锁 （Latch Up） 耐性超过 100 MeV·cM2/Mg， 主要面向人造卫星和宇宙飞船上的遥感处理、 图像处理以及导航仪等用途。 因此，基于 FPGA 系统构成无需为了辐射措施而增加冗余，可以削减系统开发所需要的时间和成本。 其规模也达到了 13 万个逻辑单元， 集成了最高速度为 3.125 Gbit/s的高速收发器， 并强化了 DSP 功能， 作为航天领域用 FPGA 中属业界最高水准。

3. 辐射效应及其影响

航天、 空间电子设备由于其所处的轨道以及使用环境的不同, 受到的辐射影响也不相同。 从总体上来说， 对 FPGA 影响比较大的辐射效应主要有: 总剂量效应 ( TID: Total ionizing Dose)、 单粒子翻转 (SEU: Single event upset)、 单 粒 子 闩 锁 ( SEL: Single event latchup)、 单粒子功能中断 ( SEFI: Single event func-tional interrupt) 、 单 粒 子 烧 毁 ( SEB: Single eventburnout)、 单 粒 子 瞬 态 脉 冲 ( SET: Single event tran-射效应产生的机理不尽相同, 引起 FPGA 的失效形式也不同。 总剂量效应： 光子或高能离子在集成电路的材料中电离产生电子空穴对， 最终形成氧化物陷阱电荷或者在氧化层与半导体材料的界面处形成界面陷阱电荷， 使器件的性能降低甚至失效。 单粒子翻转： 具有一定能量的重粒子与存储器件或逻辑电路 PN 结发生碰撞, 在重粒子运动轨迹周围形成的电荷被灵敏电极收集并行成瞬态电流， 如果电流超过一定值就会触发逻辑电路, 形成逻辑状态的翻转。 单粒子翻转敏感区域是指 FPGA 中易于受到单粒子效应影响的区域， 包括 FPGA 的配 置 存 储 器 、DCM、 CLB、 块存储区域。

单粒子闩锁： CMOS 器件的 PNPN 结构成了可控硅结构。 质子或重粒子的入射可以触发 PNPN 结导通, 进入大电流再生状态， 产生单粒子闩锁。 只有降低电源电压才能退出闩锁状态。 单粒子功能中断： 质子或重粒子入射时引起器件的控制逻辑出现故障， 进而中断正常的控制功能。FPGA 中单粒子功能中断的敏感部分为配置存储器、上电复位电路、 SelectMAP 接口和 JATAG 接口。

单粒子烧毁： 入射粒子产生的瞬态电流导致敏感的寄生双极结晶体管导通。 双极结晶