單粒子效應(yīng)在線檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王穎 李鄭梅 李毅強 呂玉冰

摘要 輻照試驗作為航天器上各種電子元器件抗輻性能評估的重要手段，目的是通過試驗前后的對比測試積累數(shù)據(jù);但單粒子輻照試驗相對特殊，其單粒子效應(yīng)只會發(fā)生在上電過程中，且檢測到的數(shù)據(jù)也無法直接遠(yuǎn)距離傳回監(jiān)控室。因此，為了滿足試驗要求，提出并設(shè)計了基于高速串行收發(fā)器（GTX）+光模塊（SFP）的實時傳輸系統(tǒng)。經(jīng)調(diào)試，該檢測系統(tǒng)在1.25Gb/s傳輸速率下，性能穩(wěn)定未出現(xiàn)誤碼現(xiàn)象;并已成功應(yīng)用到多個項目的單粒子輻照試驗中，證明了設(shè)計的正確性，達(dá)到了預(yù)期目的。

【關(guān)鍵詞】單粒子效應(yīng) 吉比特串行收發(fā)器 光模塊 8b/10b編解碼

航天器上各種載荷組件受空間輻射后性能退化會影響其工作精度和可靠性，嚴(yán)重時會導(dǎo)致載荷組件功能的永久失效。國外研究輻照效應(yīng)早期主要關(guān)注電離總劑量效應(yīng)，但隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷發(fā)展，CMOS工藝特征尺寸的不斷縮減，各種IC集成電路的電離總劑量輻照能力顯著提高;器件工作電壓也隨之降低，在空間應(yīng)用中愈發(fā)突出的是單粒子效應(yīng)，因此，采用CMOS工藝的IC器件加固設(shè)計方法和抗單粒子性能評估成為目前航空航天領(lǐng)域研究的熱點。本文介紹的單粒子效應(yīng)在線檢測系統(tǒng)，即是為了滿足項目輻照試驗需求，開展的相關(guān)設(shè)計和研究。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及指標(biāo)

單粒子效應(yīng)試驗在線檢測系統(tǒng)如圖1所示。

（1）輻照DUT板用于承載被輻照器件;

（2）檢測編碼板為被輻照器件提供可監(jiān)控電流、自動開關(guān)切換的電壓源;實時讀寫寄存器的通信接口，并完成試驗中檢測數(shù)據(jù)的校驗、編碼、串化及光傳輸;

（3）解碼電路完成光/電信號的轉(zhuǎn)換，以及高速串行信號的解串功能，并送進遠(yuǎn)程控制計算機進行實時監(jiān)控。

檢測系統(tǒng)具備的主要參數(shù)指標(biāo)見表1。

2 功能模塊設(shè)計

硬件系統(tǒng)的設(shè)計主要分為輻照效應(yīng)檢測模塊和光纖傳輸模塊兩部分。

2.1 輻照效應(yīng)檢測模塊

2.1.1 輻照DUT電路

蘭州重離子加速器的高能粒子束流穩(wěn)定可控的出口面積為40mmx40mm，需輻照的電子元器件則放置在出口面積之內(nèi)進行試驗;又由于加速器設(shè)備輸出的單核能量最高為lx102MeV量級，而實際空間中高能粒子能量集中在lx103MeV到lx107MeV之間，最高可達(dá)lx109GeV。回旋加速器模擬的束流粒子幾乎不能穿過器件的封裝外殼。基于以上兩點限制，輻照試驗方式只能是單個元器件開蓋后逐一進行輻照。而輻照DUT板就是專用于承載被輻照器件的裝置。

2.1.2 效應(yīng)檢測電路設(shè)計

檢測電路支持對單粒子鎖定（SEL）和單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）兩種輻照效應(yīng)的檢測。提供給輻照DUT板us級可監(jiān)控電流并能自動開關(guān)切換的電壓源，以及為檢測單粒子翻轉(zhuǎn)而設(shè)計的實時讀寫寄存器的通信接口支持SPI、I2C協(xié)議。

單粒子鎖定：即CMOS結(jié)構(gòu)電路中由于高能粒子的轟擊，出現(xiàn)從電源vcc到地GND的一條低阻通路，造成電流異常增大，若不及時斷電解除閂鎖，將極大增加航天器上2次電源的負(fù)載電流，很大可能造成電源損壞。

檢測框圖如圖2所示：包括電流檢測器INA138和單片機Mega8（10-BIT ADC）兩塊主芯片。檢測原理：對流經(jīng)檢測電阻Rs的電流進行檢測，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，然后Mega8單片機內(nèi)含的ADC將其轉(zhuǎn)換成10位并行數(shù)字信號送入FPGA，最后上位機通過公式Vo=lsRsRI/5kQ，計算出檢測的電流值Is。當(dāng)檢測到的電流值超過設(shè)定閩值后，則認(rèn)為發(fā)生了鎖定現(xiàn)象，進行斷電處理，并對記錄該次事件，待恢復(fù)2s鐘后重新上電，繼續(xù)輻照。

單粒子翻轉(zhuǎn)：

效應(yīng)原理：即在高能粒子的轟擊下，存儲數(shù)據(jù)的CMOS電路結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)1到0或者0到1的異常跳變，造成電路的誤動作，如讓這種事件響應(yīng)并傳送到下級電路中，將導(dǎo)致航天器中載荷組件的隨機故障甚至系統(tǒng)中斷。通常的加固設(shè)計方法是在執(zhí)行響應(yīng)前進行選3取2舉手表決，即三模冗余設(shè)計。

檢測原理：采用器件所支持的通信協(xié)議（SPI或者I2C）實時讀取寄存器狀態(tài)，若遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦中發(fā)現(xiàn)有與預(yù)設(shè)的狀態(tài)不符合的寄存器，則重新寫入預(yù)設(shè)的值并對每次翻轉(zhuǎn)錯誤進行計數(shù)，用于試驗后故障率的統(tǒng)計計算。

2.2 光纖傳輸模塊設(shè)計

光纖傳輸模塊是整個檢測系統(tǒng)的硬件支撐：由Xilinx公司Xc7k160_ FPGA和Avago公司AFBR-5701 （SFP）光模塊構(gòu)建，并采用低抖動差分時鐘參考芯片（CDCM61002），通過外部的上拉下拉電阻，可配置成多種協(xié)議的時鐘頻率輸出，實現(xiàn)最高12.5Gb/s的線速率，但為了匹配后端光模塊的最大傳輸速率，本系統(tǒng)設(shè)計為1.25Gb/s的傳輸速率。完成的功能包括試驗中檢測數(shù)據(jù)的校驗、編解碼、相位調(diào)整與對齊、時鐘修正、通道綁定、串化解串以及光電轉(zhuǎn)換和光傳輸

2.2.1 GTX Transceivers收發(fā)器

GTX Transceivers是XILINX FPGA高度集成的可編程IP硬核，支持多種標(biāo)準(zhǔn)的高速串行傳輸協(xié)議如：光纖（Fibre C，hannel）、三模/千兆以太網(wǎng)、GIGE、SATA、PCIE等，具備500Mb/s至12.5Gb/s的傳輸線速率。它包括物理編碼子層（PCS）和物理媒介適配層（PMA）兩個子層，其中PMA子層主要用于串化和解串，PCS主要完成數(shù)據(jù)編碼、校驗等功能;對于GTX IP核的使用和調(diào)試是該系統(tǒng)實現(xiàn)的一大難點，其中需要深刻理解其編碼目的和原理，特別注意的是參考時鐘設(shè)計。

其一：編碼目的及原理。由于傳輸線速率高達(dá)Gb/s，并采用電容進行交流耦合，等效阻抗公式為：

2c=l/2πf*C

（1）

其等效阻抗隨頻率升高而降低，如果碼流中含有連續(xù)的“0”或者“1”時，必然增加其等效阻抗，導(dǎo)致?lián)p耗增大幅度不斷降低，帶來的嚴(yán)重后果是無法識別到底是“0”還是“1”（如圖3所示），造成誤碼率升高。

因此，編碼目的：讓信號始終保持低損耗傳輸保證DC平衡。編碼原理：需把連續(xù)全0或全1碼型通過編碼的方式轉(zhuǎn)換成較高頻的碼型。根據(jù)編碼效率編碼方式通常為8b/10b，64b/66b以及64b/67b等，由于該系統(tǒng)傳輸速率要求不高，設(shè)計采用效率較低的編碼方式8b/lOb。

其二：參考時鐘設(shè)計。隨著串行傳輸速率的升高，時鐘的穩(wěn)定性對整個高速傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定至關(guān)重要。推薦的設(shè)計方式是采用專用高精密超低抖動的時鐘參考芯片，這里我們選擇的是TI公司的CDCM61002，其抖動標(biāo)稱值只占周期的1/10，完全滿足GTX的輸入時鐘要求，并經(jīng)專用IP核IBUFDS GTE2時鐘通道進入FPGA GTX模塊，其典型的時鐘路徑通路。

2.2.2 光模塊（SFP）

因光纖具有傳輸距離遠(yuǎn)，損耗小，抗干擾能力強等優(yōu)點。且物理傳輸層芯片光模塊的使用也相對簡單，只需保證模塊各個電信號的正確連接，即可實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換和光傳輸。

3 調(diào)試及試驗

根據(jù)上述架構(gòu)及原理，完成了在線檢測系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計，并對整個系統(tǒng)進行了調(diào)試。由于所選用光模塊最大傳輸速率為1.25Gb/s，因此FPGA GTX的線速率設(shè)計成跟光模塊傳輸速率一致。并選定FPGA接口位寬（Interface Width）為16bit，經(jīng)8b/l Ob編碼，串化接口位寬（TX DATA WIDTH）擴展為20bit，根據(jù)式2，并行時鐘TXUSERCLKRate為62.5Mhz。

調(diào)試首先是仿真驗證所設(shè)計GTXTransceivers模塊的功能，確認(rèn)解串后并行數(shù)據(jù)（RX DATA）與輸入并行數(shù)據(jù)（TXDATA）一致;然后才進行上板聯(lián)調(diào)：完成GTX Transceivers的本地環(huán)回測試，即FPGATX模塊輸出的高速串行信號直接通過SMA連接器送回FPGA RX模塊，并通過Ibert（XILINX在線誤碼率調(diào)試分析工具）進行誤碼率測試，經(jīng)測試表明在12.5Gb/s的線速率下，本地發(fā)送了8Xl011bit的數(shù)據(jù)，接收錯誤為O，計算出本地環(huán)回測試誤碼率僅為1.15X10^-12。

4 結(jié)論

本文介紹了所設(shè)計的單粒子效應(yīng)在線檢測系統(tǒng)的整體架構(gòu)及效應(yīng)檢測原理。經(jīng)調(diào)試驗證系統(tǒng)在1.25Gb/s的速率下誤碼率極低，完全滿足試驗中數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。目前，該檢測系統(tǒng)已為多個型研項目單粒子輻照試驗提供平臺支撐。后續(xù)如有更高傳輸速度要求，通過增加并行數(shù)據(jù)的位寬和速率，并采用萬兆光模塊（SFP_）可將傳輸速率提高到lOGb/s。

參考文獻(xiàn)

[1]楊善潮，齊超等，中子單粒子效應(yīng)研究現(xiàn)狀及進展[J].強激光與粒子束，2015 （01）.

[2]王麗娟，李錦明，杜東海，基于FPGA的SFP光纖通信控制器的研究與設(shè)計[J]，電子器件，2016 （03）.