FPGA以其集成度高、灵活性强、开发周期短的特色，在航天范畴得到了越来越广泛的使用。可是，其作业的空间环境存在着很多γ光子、辐射带电子、高能质子等高能粒子。这些高能粒子炮击到器材上，会产生总剂量效应(Total Ionizing Dose， D)、单粒子翻转(Single Event Upset， SEU)、单粒子确认(Single Event Latchup， SEL)、单粒子焚毁(Single Event Bumout，SEB)、单粒子栅击穿(Single Event Gate Rupture， SEGR)、内带电效应等空间辐射效应[1]。这些效应对依据SRAM的FPGA的影响尤为显着。
现代FPGA工艺向着低电压、高集成度方向开展，这使得产生空间辐射呼应的阈值越来越低，产生毛病的概率越来越大。空间辐射效应的产生，轻则会使设备作业反常，重则会导致设备焚毁、永久失效。因而，FPGA有必要进行高牢靠性规划，来最大极限地防备和处理空间辐射效应的影响。
1 空间辐照效应
据卫星材料计算，其反常记载中有70%是由空间辐射环境引起的[2]。首要空间辐射效应与辐射源及效果目标之间联系如表1所列。
表1 首要辐射效应、辐射源及目标
单粒子效应(Single Event Effect，SEE)是单个高能质子或重离子入射电子元器材上引发的辐射效应。依据效应的机理不同可分为单粒子翻转、确认、焚毁、栅击穿等。
当单个空间高能带电粒子炮击到大规模、超大规模的逻辑型微电子器材时，沿粒子入射轨道，在芯片的PN结邻近区产生电离效应，生成必定数量的电子空穴对(载流子)。假如芯片处于加电状况，这些因为辐射产生的载流子将在芯片内部电场效果下产生飘移和从头散布，然后改动了芯片内部正常载流子的运动散布和运动状况。当这种改动足够大时，将引起器材电功用状况的改动，形成逻辑器材或电路的逻辑过错，例如：存储器中数据产生翻转，使能信号被从头置位，然后引起逻辑功用紊乱、计算机程序“跑飞”，乃至形成灾难性的成果。
现在，大多数FPGA依据SRAM结构。依据SRAM的FPGA中的根本可编程通孔是一个1位的SRAM单元。这种SRAM通孔的编程和擦写办法与其他SRAM存储器相同。虽然SRAM通孔比一般SRAM组成更牢靠，但之后的状况也很简单被空间辐射产生的电荷改写[3]。
图1为与FPGA相同的CMOS工艺单粒子翻转示意图和单粒子翻转敏感区域[4]。
图1 与FPGA相同的CMOS工艺单粒子翻转示意图
因而，关于FPGA软件规划而言，单粒子翻转对FPGA内部逻辑、存储器的影响尤为严峻，需求进行安全牢靠性规划。
2 防范措施
一般能够选用如下的办法，最大极限地避免或避免空间辐照下的单粒子效应对FPGA软件的影响。
2.1 定时从头装备FPGA
对FPGA进行从头装备，能够铲除堆集的任何过错。规划者有必要确认潜在过错的影响，以及这些过错延伸所需的时间。在这个时间段之内从头装备FPGA，或许规划检测电路，当FPGA作业过错时，及时对FPGA进行从头装备。虽然过错仍然会延伸，但潜在的危害被从头装备所约束。
笔者所规划的体系为CCD相机成像体系，由使命需求及功用预算，每次开机上电时间约为120 s。开机即加载FPGA逻辑，摄像使命完成后，随即下电，预备下一次摄像使命。因而，能够极大地避免空间辐照效应对设备的影响。
2.2 三模冗余(TMR)
对要害信号，数据进行冗余规划，是避免SEU产生的比较卓有成效的办法。冗余规划是用多个相同单元构成并联办法，终究经过表决单元输出终究的数据或信号，三模冗余是常用的冗余规划办法。理论上，在FPGA中某一单元产生SEU的概率是存在的。但接连两个相同单元一起产生SEU事情，在有限的作业时间内，几乎是不或许的。虽然一个单元产生SEU导致过错，但其他单元不会一起产生过错，经过表决，确保了数据或信号的安全牢靠。图2为Xilinx公司引荐的三模冗余结构。虽然TMR带来了牢靠性的进步[5]，可是随之带来了体系最高运转速度的下降和资源的糟蹋，并且表决器自身也或许犯错，并不具有抗空间辐照的才能。假如体系长时间加电作业于空间辐射环境中，因为SEU的累积效应，两个或多个表决单元都产生SEU的或许仍是存在的，这就需求采纳相应的规划办法，检测产生SEU的逻辑单元，将其从头置位，“拉”回正常作业状况，然后确保体系的安全牢靠。
图2 Xilinx公司引荐的三模冗余逻辑
现在，Xilinx公司等FPGA制造商能够供给相应的TMR模块IP核，但现在还无法取得。能够依据实际情况，对体系要害的部位，进行三模冗余规划。
笔者在所规划的体系中，一起规划了3个“要害数据解析”单元，将解析到的要害数据一起存储在相邻的3个块RAM中，终究经过“要害数据表决单元”，输出牢靠的要害数据。
2.3 周期擦除技能
周期擦除技能是指，在固定时间周期内，对体系内部各要害单元进行周期擦除复位，这样能够很大程度地避免单粒子翻转对体系产生的影响。
当体系中产生单粒子翻转事情时，或许会导致要害寄存器、计数器或要害使能信号等产生意外翻转，引起外围操控器材反常作业。若这种反常的作业状况持续时间较长，会导致设备无法正常作业乃至永久损坏。若体系选用周期擦除技能，一旦产生SEU，周期复位信号能够在很短的时间内，将过错的计数器、存储器复位到正确状况，确保体系的安全安稳。
笔者所规划的CCD成像体系，CCD探测器的各时序操控信号为要害信号。若不幸产生SEU，或许导致CCD时序驱动信号频率大幅升高，过高的频率会导致外围驱动器失效乃至焚毁。
因为CCD时序操控信号为周期信号，故在时序规划中，体系内部自行产生周期擦除信号。此信号一起产生3个，进行三模冗余备份，并经过FPGA时钟树网络，确保此周期复位信号安全牢靠。此信号选用同步复位，用软件仿真SEU毛病，时序仿真图如图3所示。
图3 周期擦除时序仿真图
信号cnt_fre经过周期擦除处理，而cnt_fre_r未经过相应处理。能够看到，在某时间，两个计数器均产生了SEU，计数值跳转到反常值76且坚持。因为选用周期擦除技能，cnt_fre在周期擦除信号有用期间，复位至初始状况，持续正常作业。而未经周期擦除处理的cnt_fre_r则一直处于反常状况，导致体系毛病。
2.4 纠错电路EDAC
FPGA体系产生SEU后，会使要害寄存器、信号等处于过错状况。虽然能够经过三模冗余技能，将这种过错状况暂时隔置，可是在长时间加电作业要求的条件下，冗余单元或许持续产生过错而导致单元失效。
对各模块要害信号实时监测，并将检测到的过错信号及时纠正，避免了空间辐照对体系的影响。纠错电路的规划需求依据体系的特色，进行相应的规划。体系EDAC(Error Detected And Corrected)规划的功用仿真图如图4所示。
图4 EDAC功用仿真图
体系对要害寄存器Sta_Line(起始行寄存器)进行三模冗余，当纠错使信号EDAC_n有用时，进行3个冗余单元的三选二表决，并将表决成果暂存在表决成果寄存器reg内，更新至各冗余单元寄存器中。由图4可知，寄存器sta_line3在某时间产生了SEU，sta_line3寄存器毛病。在edac_n有用时，将此要害信号纠错，置回正确状况，而要害信号sta_line将一直坚持正确值，确保了体系的安全牢靠。
结语
可编程逻辑器材FPGA必将在航天范畴得到更广泛的使用。针对空间辐照效应影响的高牢靠性规划，将越来越成为FPGA软硬件规划的难点和要点。依据飞行器空间轨道的不同、辐射总剂量的差异，从硬件上，能够经过加厚屏蔽层、元器材加固等办法，尽或许地下降SEU产生的概率;从软件上，经过定时重装备、周期擦除、三模冗余、EDAC等手法，最大程度下降或消除SEU对体系的影响。本文提出的依据软件的空间辐照下FPGA牢靠性规划办法，能够为空间航天FPGA嵌入式体系规划供给必定的参阅。
