一種FPGA的SEU效應測試方法研究

王志國　孟令軍　張皓威　張敏

摘要：為對"GA在低空環境下受高能粒子輻射而產生的單粒子翻轉（SEU）進行失效統計，設計一種便攜式實時FPGA的SEU效應測試系統。該系統采用FPGA作為主控模塊，以樹莓派作為上位機，通過長距離低壓差分信號線遠程連接到被測FPGA進行測試。上位機接收測試結果存儲至SD卡，并實時顯示到車載顯示器，以供測試人員即時了解測試情況。經過在青藏高原實地測試，獲得大量的現場數據。對測試結果進行分析，得到的大氣中子劑量與FPGA的SEU事件概率之間的數值關系與預期一致。測試結果表明該便攜式實時測試系統科學有效，可為低空飛行器的FPGA選型提供一定參考。

關鍵詞：FPGA;低空環境;單粒子翻轉;樹幕派;低壓差分信號

中圖分類號：V11 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）01-0115-06

0 引言

由于FPGA具有容量大、速度快、穩定性好、并行數據處理能力強以及開發成本低周期短的特點，被廣泛應用于航空宇航領域的控制與信號處理[1]。目前絕大多數FPGA屬于SRAM型邏輯塊陣列，是一種易失性存儲器件[2]，尤其是集成電路工藝達到了微米、納米級別，FPGA的內核電壓降低、門數劇增[3]，單粒子翻轉（single event upset，SEU）、單粒子功能中斷（single event function interrupt，SEFI）和單粒子瞬態脈沖（single event transient，SET）等一系列單粒子效應發生的可能性大大增加[4]。其中，SEU是最常見的FPGA單粒子故障，當空間各類粒子（如質子、中子、α粒子等）對FPGA產生輻射，很容易發生SEU，從而使FPGA功能紊亂甚至失效，對飛行器造成不可預估的影響和損害[5]。因此，國內外許多研究機構對FPGA的SEU效應進行了研究。

現在，對于FPGA的SEU效應的測試方法主要有分析模型法、故障注人法以及現場錯誤數據分析法[6]。分析模型法主要針對小型電路系統，且其計算復雜，耗費人力;故障注人法是人為引入故障測試FPGA，但仍然與真實環境有差別;現場錯誤數據分析法目前主要是針對航天領域的FPGA測試，我國的航天某研究所與高校都曾做過實驗，將測試設備帶入太空，可以獲得真實有效的數據。

本測試系統采用的是現場錯誤數據分析法，主要對低空飛行器機載FPGA進行SEU測試。與航天部門的實驗相比，本測試系統具有成本低、測試周期短、靈活性強、算法復雜度小的特點。本文選擇我國青藏高原地區進行地面測試，青藏高原海拔在3000～5000m（測試點及其海拔高度分布如表I所示），大氣稀薄，空間輻射大，可以很好地模擬低空環境。

1 系統組成與測試原理

1.1 系統組成

該測試系統主要包括：樹莓派（Raspberry Pi）上位機與測試臺模塊，FPGA主控模塊，被測FPGA模塊，中子探測儀以及GPS模塊。系統整體組成如圖1所示。

樹莓派上位機采用Python語言編程[7]，用于實時存儲與顯示單粒子翻轉現象的測試結果;FPGA主控模塊作為被測FPGA的信號源，完成測試數據回讀，與原數據對比得出結果并經過LVDS線[8]上傳到上位機;中子探測儀實時獲取測試點大氣中中子劑量，將中子檢測結果傳輸到主控FPGA，由主控FPGA編幀發送到上位機存儲，以此作為判斷大氣粒子實時劑量的參考值;GPS模塊實時獲取測試點的經緯度信息、年月日時分秒信息，同時為系統提供秒脈沖（PPS）信號，將其作為數據采集存儲基準觸發時鐘。

1.2 測試原理

1.2.1 SEU效應原理

本文設計的測試系統，主要測試SRAM型FPGA的單粒子翻轉效應。SRAM型FPGA編程功能是依靠無數個SRAM存儲單元存放的數值（“0”或“1”）[9]，本文測試的兩款FPGA分別為CycloneⅡ代（EP2C8T11418）和CycloneⅢ代產品（EP3CSE144C7），均為SRAM型FPGA。前者存儲單元數為16萬余個，后者總的存儲單元數為42萬余個。這兩個型號的FPGA均為實驗室常用型號，屬于中低集成度的常用芯片。圖2是典型的6T（6管）SRAM存儲單元結構示意圖。

M₁與M₂組成一個CMOS反相器a，其中M₁的G端（柵極）與M₂的G端連結為輸入（in，與圖中的“Q”相連），M₁的S端（源極）接GND，M₂的S端接Vcc，M₁的D端（漏極）與M₂的D端連結作為輸出（out，與圖中的“Q非”相連）。M₃與M₄組成一個CMOS反相器b，由CMOS反相器a、b交叉耦合組成鎖存器[10]。根據CMOS管的通斷可以判斷SRAM的輸出值，具體對應關系如表2所示。

根據圖2可知，當M₁與M₄導通，M₂與M₃關斷時，SRAM存儲單元內容為“1”（即Q為“1”）。此時M₃的D端電勢為V_CC，所以M₃的漏極PN結處于反偏狀態。當空間環境中具有一定能量的重粒子射入M₃的漏極PN結附近時（圖3中被圈起的部分），在該高能粒子入射軌跡周圍的P型襯底被電離化形成耗盡層[11]，由此產生從M₄的S端到M₃的D端形成一個瞬間脈沖電流I_P。在M₄的內部存在導通電阻R，在瞬間脈沖電流I_P的作用下，M₄的S端到D端之間形成一個壓降Ue，其計算公式為

Ue=I_P×R（1）

則，M₃的D端電勢降低為

U_D=U_CC-Ue（2）

當U_D 降低時，意味著M₁與M₂的G端電勢U_G也會降低。如果環境中高能粒子劑量較高，不斷入射到FPGA之中，I_P不斷增大就會使U_G降到比M₁關斷而M₂導通的臨界值U_SD還要小。一旦M₁關斷而M₂導通，M₁與M₂的D電勢變為V_CC，即“Q非”從“0”跳變為“1”，由于SRAM的驅動能力大于其鎖存能力，因而“Q”從“1”跳變為“0”，發生了邏輯翻轉，存儲單元存儲的內容從原來的“1”變為“0”[12]，即SEU。

1.2.2 測試系統工作原理

主控FPGA發送測試數據地址給被測FPGA，同時計時器進行計時，在規定時間內未收到被測FPGA返回的數據則發送錯誤標志給Raspberry Pi;否則將被測FPGA返回的數據與預定的數據進行比較，如果相等則說明沒有發生SEU，發送正確標志給Raspberry Pi，否則發送錯誤標志。主控FPGA每發送一個地址，地址加1，從RAM中讀取的數據地址也加1，在被測FPGA的RAM中的內存初始化文件中，其每一個地址上的數據都不相同，這樣數據就可以不斷變化并且逐個比較。測試信號流及方法如圖4所示。

此外，為了使被測FPGA的RAM覆蓋率達到90%以上，該系統根據被測FPGA不同邏輯存儲容董巍量置不同數量RAM。RAM的數量根據被測FPGA的BANK數量來劃分，即EP2具有4個BANK，就分配4個RAM，從不同BANK的引腳中各挑選一對作為控制FPGA與被測FPGA的連接引腳，EP3則為8對，在控制FPGA主控程序中循環切換，以此來保證被測FPGA的被測存儲單元達到最大可能。

2 系統軟件設計

2.1 主控FPGA邏輯設計

主控FPGA為本系統的核心模塊，其功能主要為接收測試臺的控制指令，編幀處理中子探測儀與GPS模塊的數據，接收對比被測FPGA的數據并編幀發送到樹莓派上位機。每測試完成一個循環，主控FPGA需要判斷上位機是否下發停止測試指令。具體工作流程如圖5所示。

2.2 上位機邏輯設計

本系統采用樹莓派作為上位機，其主要功能是接收測試結果，記錄測試次數，顯示測試結果，將測試結果、GPS報文信息和中子探測儀的數據存儲到SD卡中。其工作流程如圖6所示。

3 單粒子翻轉測試結果及分析

在青藏高原測試時間共8d，分6個測試點，依次是西寧郊區、青海湖、格爾木市區、拉薩市區、羊卓雍錯和納木錯。將保存在SD卡的測試結果數據讀出并進行統計分析，本文顯示的結果是經過長時間測試提取的具有參考意義的部分，時長均為2h（即橫軸時間為7200s）;中子輻射曲線是相對應的2h的大氣中子劑量，單位微西弗每小時（μSv/h）;FPGA誤碼分布曲線，1代表正常，0代表存在誤碼。

圖7、圖8分別顯示了在西寧郊區和納木錯實驗采集的數據用Matlab處理的結果。根據Matlab處理結果，對比兩個地點的具體測試情況可知：1）在海拔相對較低的地點（西寧），中子輻射劑量0μSv/h和5μSv/h比較多，SEU事件次數基本為0：CycloneⅡ代FPGA芯片SEU次數為0，CycloneⅢ代FPGA芯片大致在第4200s的時候翻轉了1次;2）在海拔相對較高的地點（納木錯），中子輻射劑量5，10，15μSv/h較多，且最大值達到了25μSv/h，SEU事件次數也有所增多：CycloneⅡ代FPGA芯片大致在第4600s和5300s翻轉了2次，CycloneⅢ代FPGA芯片在第1500s和第6500s之間翻轉了5次。

由上述分析可以簡單得出，中子輻射劑量和FPGA芯片的SEU事件與海拔高度有一定的關聯性。表3是6個測試點的大氣中子劑量最大值統計表，表4是6個測試點的單粒子翻轉次數統計表。

分析表3可知，中子輻射的劑量值在隨著海拔的升高而緩慢增大;分析表4可知，隨著海拔的升高，不論是Cyclone Ⅱ代FPGA芯片還是CycloneⅢ代FPGA芯片，SEU發生的概率都在不斷增大。綜合以上兩點可得，空氣中子劑量的增多會使FPGA芯片發生SEU事件的概率增大。

將表3與表4統計分析與表1所示的測試地點地理信息分布結合分析，可以看出單粒子翻轉現象與海拔高度有一定的線性關系：隨著海拔的升高、以及越接近珠峰方向，大氣中子劑量值也就越高，FPGA發生SEU的概率也就越大，該結論與預期一致。

4 結束語

本文通過樹莓派與FPGA結合使用，同時存儲與顯示FPGA的SEU效應測試結果，可以實時得知被測FPGA的失效情況。該測試系統在青藏高原的6個地點進行實地測試，獲得了大量低空（海拔3000～5000m）環境下FPGA的SEU效應數據，驗證了在低空環境下，FPGA發生單粒子效應的可能性。該測試系統體積小、質量輕、便于攜帶，且測試結果具有實時性，能及時反饋給實驗人員，極大地簡化了FPGA的SEU效應測試流程。

現階段的FPGA選型評價，需要從產品的需求方面分析，如邏輯復雜度、FPGA發生SEU概率等方面綜合考慮。對于一般的地面設備，邏輯復雜度低的，且屬于低海拔地區，則基本不需要考慮FPGA的SEU效應，選擇邏輯門較少的FPGA即可實現功能;對于邏輯復雜度要求較高的，海拔較高，單粒子輻射較強的區域，則需要考慮使用邏輯門較多的FPGA，且必要時需要進行單粒子防護與加固。本系統可以為包括民用飛機、戰斗機等在內的低空飛行器上FPGA的選型提供一種測試方式。

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