中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)對(duì)機(jī)載應(yīng)答機(jī)的影響

文/游華春 王曉偉

1 概述

中子單粒子效應(yīng)是指單個(gè)高能粒子作用于半導(dǎo)體器件引發(fā)的翻轉(zhuǎn)、鎖定、燒毀、柵穿等現(xiàn)象。以往研究認(rèn)為中子單粒子效應(yīng)主要發(fā)生在航天領(lǐng)域，但國(guó)外近年來的研究表明，飛機(jī)在3～20km的自然空間環(huán)境中同樣會(huì)遭遇中子單粒子效應(yīng)。只不過航天領(lǐng)域誘發(fā)單粒子效應(yīng)的高能粒子輻射源主要為重離子或質(zhì)子，而在航空領(lǐng)域誘發(fā)單粒子效應(yīng)的高能粒子輻射源主要為大氣中子。

大氣中子穿透性強(qiáng)，金屬材料幾乎沒有阻擋作用，因此會(huì)穿透機(jī)艙蒙皮，打在航空電子設(shè)備上，尤其是核心指令控制單元或關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元上，產(chǎn)生大氣中子單粒子效應(yīng)。從而引發(fā)軟錯(cuò)誤、硬錯(cuò)誤甚至硬失效，導(dǎo)致飛行控制系統(tǒng)、航電系統(tǒng)等出現(xiàn)黑屏、死機(jī)、復(fù)位、數(shù)據(jù)丟失、命令錯(cuò)誤等故障現(xiàn)象。有的會(huì)直接影響飛機(jī)的安全性與可靠性，有的會(huì)誤導(dǎo)飛機(jī)駕駛員產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷與錯(cuò)誤操作，從而間接影響飛機(jī)的安全性與可靠性。

本文以航空應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)載應(yīng)答機(jī)為例，研究中子單粒子對(duì)機(jī)載應(yīng)答機(jī)的影響。

2 應(yīng)答機(jī)簡(jiǎn)介

圖1：S模式應(yīng)答機(jī)功能板之間的接口關(guān)系圖

圖2：A模式輸出信號(hào)

圖4：S模式輸出信號(hào)

2.1 應(yīng)答機(jī)功能

應(yīng)答機(jī)主要是安裝在飛機(jī)上的機(jī)載設(shè)備，能夠自動(dòng)應(yīng)答本飛機(jī)的高度信息，代碼信息。應(yīng)答機(jī)信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)的主要功能是實(shí)現(xiàn)譯碼、編碼功能。把應(yīng)答機(jī)接收到的外部信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部接收模塊解調(diào)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而分辨出是代碼（A）模式、高度（C）模式、或者是S模式。并將本應(yīng)答機(jī)的代碼（A）信息、高度（C）信息、或者S模式地址碼傳送給本應(yīng)答機(jī)的發(fā)射機(jī)模塊進(jìn)行射頻發(fā)射。

應(yīng)答機(jī)處理模塊在整個(gè)應(yīng)答機(jī)中與其它功能模塊的接口關(guān)系如圖1所示。

2.2 應(yīng)答模式

2.2.1 代碼（A）模式

模式A的回答碼包括從0到最多12個(gè)信息脈沖，A模式輸出信號(hào)如圖2所示。

2.2.2 代碼（C）模式

模式C的回答碼包括從0到最多11個(gè)信息脈沖。C模式輸出信號(hào)如圖3所示。

2.2.3 S模式

S模式輸出格式如圖4所示。

3 試驗(yàn)

3.1 輻射源

試驗(yàn)采用的是中國(guó)原子能科學(xué)研究院中的14MeV中子加速器產(chǎn)生的快中子。

3.2 粒子束流

（1）離子束不均勻性：≤±10%；

（2）注量：使被試器件接受的中子注量達(dá)到109(n/cm2)或達(dá)到100個(gè)錯(cuò)誤；

（3）中子注量率在103-5n/cm2-s范圍內(nèi)可調(diào)。

3.3 環(huán)境溫度

輻照間內(nèi)環(huán)境溫度為25±3℃。

3.4 屏蔽條件

輻照源與試驗(yàn)件之間使用4mm鋁板進(jìn)行屏蔽。

3.5 工作狀態(tài)

試驗(yàn)件在輻射過程中執(zhí)行正常的功能操作，即功能單機(jī)板級(jí)試驗(yàn)期間運(yùn)行規(guī)定的飛行程序，同時(shí)監(jiān)測(cè)輸出狀態(tài)。

3.6 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由14MeV中子加速器、屏蔽板、應(yīng)答機(jī)信號(hào)處理板、電源、系統(tǒng)線纜、調(diào)試線纜、429板卡、FPGA仿真器及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)PC機(jī)等組成。

中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)主要設(shè)備布局示意圖如圖5所示。

（1）把輻照板固定在靶前10cm處；

（2）在靶與輻照板之間豎立一塊4mm厚的鋁屏蔽板；

（3）輻照板分別與429板卡、FPGA仿真器相連接；

（4）仿真器采取壘鉛磚室的方法進(jìn)行屏蔽；

（5）布線，MPU仿真器、FPGA仿真器通過長(zhǎng)線連接至測(cè)試間，輻照板電源線需連接至測(cè)試間。

3.7 試驗(yàn)檢測(cè)

在中子輻照期間，應(yīng)答機(jī)處理板上運(yùn)行的實(shí)際飛行程序，在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單機(jī)板的輸出，監(jiān)測(cè)出現(xiàn)的功能故障，如程序跑飛、無輸出、自動(dòng)復(fù)位等故障現(xiàn)象，記錄故障現(xiàn)象及其次數(shù)。

4 故障現(xiàn)象

航空電子設(shè)備故障類型定義如下：

第I類故障為硬失效，其特征為斷電重啟不能恢復(fù)正常功能，需要維修。

第2類故障為硬錯(cuò)誤，其特征為斷電重啟才能恢復(fù)正常功能。

第3類故障為軟錯(cuò)誤，其特征為軟復(fù)位可恢復(fù)正常功能。

在該次中子單粒子試驗(yàn)中，應(yīng)答機(jī)處理板出現(xiàn)了第3類故障。模式編碼輸出的信號(hào)發(fā)生了變化。圖6為A/C模式試驗(yàn)前數(shù)據(jù)格式，圖7為A/C模式試驗(yàn)后數(shù)據(jù)格式，圖8為S模式試驗(yàn)前數(shù)據(jù)格式，圖9為S模式試驗(yàn)后數(shù)據(jù)格式。對(duì)比圖6和圖7、圖8和圖9所示，A/C模式輸出無變化，S模式數(shù)據(jù)輸出發(fā)生變化，導(dǎo)致報(bào)出錯(cuò)誤的S模式地址。

如圖9所示，S模式編碼中的脈沖一直缺失，從原理來講，S模式數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菑腃PU寄存器中向FPGA進(jìn)行加載、編碼。 數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)更新，若FPGA中S模式數(shù)據(jù)鏈的寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，則只能出現(xiàn)一次翻轉(zhuǎn)，下一次就會(huì)被覆蓋。覆蓋后，F(xiàn)PGA按照正常的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼；S模式編碼中的脈沖一直缺失，說明FPGA是按照同一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的編碼，即CPU中裝載S模式數(shù)據(jù)鏈的寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)生了翻轉(zhuǎn)。說明中子單粒子確實(shí)會(huì)造成應(yīng)答機(jī)一定程度的功能失效。

5 結(jié)論

應(yīng)答機(jī)處理板在中子單粒子試驗(yàn)中為第3類故障為軟錯(cuò)誤，其特征為軟復(fù)位可恢復(fù)正常功能。且針對(duì)該S模式問題，軟件本身后期進(jìn)行了CRC校驗(yàn)。CRC校驗(yàn)?zāi)芰?2位，即能糾正12位錯(cuò)誤碼值。若碼值錯(cuò)誤過多，在處理的時(shí)候，軟件將棄用這一串?dāng)?shù)據(jù)鏈。就中子單粒子試驗(yàn)而造成的數(shù)據(jù)位發(fā)生變化，在解碼的過程中，CRC校驗(yàn)?zāi)軌蚧謴?fù)正確的碼值。若大面積的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，軟件將丟棄對(duì)這串?dāng)?shù)據(jù)的處理。所以，即使打中，不會(huì)出現(xiàn)功能性錯(cuò)誤。

本文論述應(yīng)答機(jī)參與中子單粒子試驗(yàn)的詳細(xì)過程，及出現(xiàn)的試驗(yàn)現(xiàn)象。但由于中子單粒子的不確定性，下次可能擊中處理板元器件不同的位置，出現(xiàn)不可復(fù)現(xiàn)的現(xiàn)象。

圖5：中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)主要設(shè)備布局示意圖

圖6：A/C模式試驗(yàn)前數(shù)據(jù)格式

圖7：A/C模式試驗(yàn)后數(shù)據(jù)格式

圖8：S模式試驗(yàn)前數(shù)據(jù)格式

圖9：S模式試驗(yàn)后數(shù)據(jù)格式

6 結(jié)束語

隨著集成電路規(guī)模逐漸增大，器件大小越來越小，中子單粒子對(duì)航電設(shè)備的影響，問題會(huì)成為一個(gè)邊緣問題逐漸被大家所認(rèn)識(shí)，成為一個(gè)主要的問題，我們更應(yīng)該在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中提高認(rèn)識(shí)，并采取一定的措施，需要開展中子單粒子影響評(píng)估，找出防護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)，提高航電設(shè)備的可靠性和安全性。