一種基于Flash型FPGA的高可靠系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要:本文以星載測(cè)控系統(tǒng)為背景，提出了一種基于 Actel Flash FPGA的高可靠設(shè)計(jì)方案。采用不易發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的 flash FPGA芯片，結(jié)合 FPGA內(nèi)部的改進(jìn)型三模冗余、分區(qū)設(shè)計(jì)和降級(jí)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高實(shí)時(shí)、高可靠的系統(tǒng)。

2 引言

在復(fù)雜的空間環(huán)境中存在各種高能粒子和宇宙射線，星載系統(tǒng)的電子器件容易發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)等錯(cuò)誤，造成整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。對(duì)于星載系統(tǒng)而言，可靠性是非常重要的一項(xiàng)性能指標(biāo)。在系統(tǒng)研制時(shí)，必須保證系統(tǒng)在局部出現(xiàn)故障時(shí)屏蔽和容忍錯(cuò)誤，把錯(cuò)誤造成的損失降到昀低。比較常用的可靠性措施包括選用抗擾等級(jí)高的元器件和適當(dāng)?shù)钠帘卧O(shè)計(jì)等，但是這些措施都無法絕對(duì)預(yù)防永久性故障的發(fā)生，為了滿足衛(wèi)星可靠性的要求必須進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。

本文中的設(shè)計(jì)就采用 Flash型 FPGA取代了 SRAM型 FPGA，前者在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)決定了它不容易發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)等錯(cuò)誤，從而在固件上提高了可靠性。同時(shí)采用了改進(jìn)型的 TMR冗余設(shè)計(jì)，在保障可靠性的同時(shí)也兼顧了實(shí)時(shí)性。

3 基本思想和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 Flash型 FPGA概述目前廣泛用于電子產(chǎn)品的 FPGA（Field－Programmable Gate Array,現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）主要有反熔絲型、SRAM型和 Flash型三種。反熔絲型 FPGA利用熔絲點(diǎn)的通斷來存儲(chǔ)編程信息，只能燒寫一次，可靠性很高，但是同時(shí)開發(fā)成本也很高，一般只在成熟正品中使用。

SRAM型 FPGA使用非常廣泛，它的可編程單元是六管結(jié)構(gòu)，編程信息是保存在附加的 PROM里的，每次上電時(shí)從 PROM中加載到 FPGA中，斷電后編程內(nèi)容消失。在航天應(yīng)用中，SRAM型 FPGA昀大的缺點(diǎn)是容易發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)(Single Event Upset, SEU），以及上電加載過程中容易產(chǎn)生錯(cuò)誤指令。

Flash型 FPGA的可編程單元是兩個(gè)三極管組成的 flash開關(guān)，其中一個(gè)只在編程時(shí)起傳感器作用，另一個(gè)控制開關(guān)的通斷，兩個(gè)管子共享的浮柵門存儲(chǔ)了編程信息。 Flash型 FPGA無需附加 PROM，上電時(shí)間也很短，另外 flash相比于 SRAM不容易出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)，因此 Flash型 FPGA很適合航天應(yīng)用。

本文中的遙控系統(tǒng)采用 Actel公司的 ProASIC plus系列的 APA300芯片。

3.2 系統(tǒng)描述

本文主要實(shí)現(xiàn)了高可靠遙控系統(tǒng)中將地面和星載計(jì)算機(jī)發(fā)送的串行碼字譯碼成對(duì)應(yīng)通道指令脈沖的功能，全部功能在一塊 FPGA中實(shí)現(xiàn)。遙控電路板上采用兩塊相同的 FPGA進(jìn)行雙機(jī)熱備份，通過 54LVC244選擇輸出。每塊 FPGA內(nèi)部又采用了下面描述的改進(jìn)型 TMR設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)完成了遙控譯碼的功能，各指令響應(yīng)正常。

本文重點(diǎn)介紹 FPGA片內(nèi)的改進(jìn)型 TMR冗余設(shè)計(jì)。

3.3 改進(jìn)型 TMR設(shè)計(jì)

三模冗余（TMR）是一種常用的容錯(cuò)技術(shù)，把需要容錯(cuò)的部分復(fù)制三份，然后由表決器根據(jù)多數(shù)表決原則輸出結(jié)果。TMR屬于靜態(tài)冗余技術(shù)，它能夠掩蓋 1個(gè)子系統(tǒng)的錯(cuò)誤，而不能修復(fù)錯(cuò)誤。當(dāng) 2個(gè)或 2個(gè)以上的子系統(tǒng)出錯(cuò)，或者表決器出錯(cuò)時(shí)，TMR系統(tǒng)將輸出錯(cuò)誤的結(jié)果。TMR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，對(duì)于瞬時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤具有良好的容錯(cuò)效果，但是代價(jià)是付出了 3倍的面積開銷。