CN105223494A - 一种基于平行测试的***单粒子效应检测方法及*** - Google Patents

Abstract

一种基于平行测试的***单粒子效应检测方法及***，该方法的步骤为：S1：构建平行***；针对待测***的核心部件DSP和FPGA部件构建平行***，平行***的DSP和FPGA的输入和输出和待测试***的输入***完全一致；S2：搭建测试***；两个***信号处理平台运行同样的程序，保证两个平台输入相同；S3：开始测试；对待测信号处理平台的器件或模块进行辐照，平行***不进行辐照，监控两个平台的输出、关键参数；S4：处理；当两个平台的数字量输出或者关键参数发生变化时，将当前内部状态信息、关键参数、输出信号进行存储；S5：结果。该***用来实施上述方法。本发明具有实时性更好、精确度更高、操作更加简便等优点。

Description

一种基于平行测试的***单粒子效应检测方法及***

技术领域

本发明主要涉及到空间电子***领域，特指一种基于平行测试的***单粒子效应检测方法及***，可对空间电子***的典型大规模集成电路(DigitalSignalProcessor简称DSP和FieldProgrammableGateArray简称FPGA)的抗单粒子效应能力进行测试，为其抗辐照加固设计提供技术支持。

背景技术

SRAM(StaticRandomAccessMemory)型FPGA具有强大的数字信号处理能力和可编程能力，因而在空间数字信号处理平台上得到广泛应用，是空间电子***的核心部件之一。SRAM型FPGA容易受到空间辐射效应影响，其中FPGA的单粒子效应对***功能的影响最为显著，FPGA的单粒子效应可能导致逻辑错误和时序错误，最终导致输出错误、发生***级的功能异常甚至导致功能中断。

可编程逻辑单元、可编程输入输出口、块存储器、乘法器、数字时钟管理模块、配置状态机、上电复位状态机、布线资源、可配置存储器是FPGA的9个主要组成部分。其中，配置存储器是FPGA最主要的部分，占有75％以上的***资源，同时也占有90％以上的单粒子翻转。FPGA可以看作配置存储器和受其控制的可配置逻辑资源两层的叠加。配置存储器是FPGA内部的一个大容量存储器，控制着布线资源、可编程逻辑资源、数字时钟等可配置逻辑资源、配置存储器的失效将造成FPGA功能的持久失效。某些配置位的翻转对应***的关键模块、或者有些配置位的翻转很可能导致某种特需的故障模式。因此，配置存储器的单粒子翻转对***的影响必须得到重视，要重视配置位翻转与***功能失效、输出错误、辐射剂量等的关系。

DSP为超大规模CMOS工艺器件，它依靠内部的存储器、寄存器、地址程序译码单元、乘加单元等共同完成用户定制的信号处理功能，其中任何一个部件的故障都可能引起整个DSP功能的紊乱。从应用角度分析，DSP是采用流水线技术的并行度不高的时序逻辑电路，DSP受控于作为数据存储的程序指令，其执行结果依赖于为数不多的指令管理模块、运算模块和寄存器，并直接受到DMA、中断等功能模块的影响.由于特征尺寸的减小和工作电压的降低，DSP内部的程序RAM存储器，SEU阈值减低，对SEU的敏感性增加，程序区RAM的SEU造成DSP的指令错误，可能引起执行流程的间隔性异常或“跑飞”,表现为程序执行流程的紊乱。

DSP的存储区和寄存器占据了DSP的绝大部分的翻转面积，其单粒子效应将对整个DSP功能甚至信号处理平台的功能产生影响。程序存储区的SEU可以引起相关子模块执行时间的变化，是引起DSP单粒子效应时序性错误的主要原因，是单粒子效应故障传递特性的表现。D-RAM(数据存储区)对SEU的敏感性和程序存储区一样，随着用户实际使用的数据存储区面积的增大而增大，数据存储区数据对DSP功能影响的程序是不同的关键变量的翻转可以造成程序逻辑功能的错误、执行时间的变更和执行流程的紊乱，比如中途退出循环程序，错误执行条件语句等，此类故障影响严重；临时数据的翻转只会对一次运算结果产生影响，可能并不影响整体功能，其影响甚小但不易检测。因此，在工程应用中，需要对重要性不同的数据采取不同的加固设计方法。通用寄存器(GeneralRegister)是CPU频繁访问的寄存器，其SEU在形式上表现为地址跳转或者运算结果错误看，同数据存储区一样，GR的SEU对DSP功能有着不同程度的影响，并且与程序模块对其访问频率有关。控制寄存器(ControlRegister)影响着CPU的状态和外设的功能，其SEU往往表现为DSP的功能错误，及外设配置状态的变化，模块间通信的异常或者DSP自身状态的异常等。

单粒子故障发生位置及其传播特性是影响***输出错误和功能失效的主要原因。在FPGA中，因为实现功能的不同和连接关系，整个FPGA具有许多不同的电路模块，它们共同实现***功能，***功能失效或者输出错误的本质就是在FPGA中有某些位置发生单粒子故障，这些故障在电路模块间传播扩散，最终造成了输出错误和功能失效。配置位的翻转影响***的逻辑配置和时序配置，最终通过后面的逻辑时序关系而影响整个***的输出和运行。在DSP中，由于程序执行流程、程序顺序执行的关系，存储区或寄存器的一个变量一个数据的变化，都可能随着程序执行而对输出产生影响。

因此，在单粒子故障的测试中，翻转发生位置与此时***的运行状态、故障模式等是有直接关系，这其中蕴含着单粒子软错误传播影响关系、传播路径等信息、这些信息对于分析单粒子软错误发生位置、传播路径对***功能的影响，分析故障关键位置，指导针对性的加固设计具有重要的意义。

目前，对DSP和FPGA为核心的电子***的抗单粒子效应能力主要通过地面重粒子试验和故障注入两种方式进行测试。单粒子效应发生的判决条件主要是通过***自定义的与单粒子有关的遥测量的变化和***功能异常来判断，***遥测量定义的覆盖性与***整机设计相关，具有一定的局限性，而功能异常的判决有两个主要的不足之处：第一是功能异常可能是多个单粒子错误联合作用的结果，无法准确分离各个单粒子错误与功能异常之间的关系；第二是功能异常相对单粒子错误发生具有时延特性，这种特性不利于抗单粒子效应的能力评估。综上所述，如何提高***单粒子效应的检测能力是目前单粒子测试***需要解决的关键问题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实时性更好、精确度更高、操作更加简便的基于平行测试的***单粒子效应检测方法及***

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于平行测试的***单粒子效应检测方法，其步骤为：

S1：构建平行***；针对待测***的核心部件DSP和FPGA部件构建平行***，平行***的DSP和FPGA的输入和输出和待测试***的输入***完全一致；

S2：搭建测试***；两个***信号处理平台运行同样的程序，保证两个平台输入相同；

S3：开始测试；对待测信号处理平台的器件或模块进行辐照，平行***不进行辐照，监控两个平台的输出、关键参数；

S4：处理；当两个平台的数字量输出或者关键参数发生变化时，将当前内部状态信息、关键参数、输出信号进行存储；

S5：结果；通过实时记录测试***发生单粒子翻转的实验条件、关键参数情况、内部状态信息，获得单粒子效应发生位置对整个***功能、输出、状态的影响，完成待测***的抗单粒子效应的能力评估。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2中，在搭建测试***时，连接好两个平行***、管理测试单元、上位机、电源和信号源，将待测***和平行***的输出输入管理测试单元，并传输至上位机实时观测。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S4中，将当前内部状态信息、关键参数、输出信号进行存储的同时，还发送至上位机，并且上位机也对此时的时间和注量率进行存储。

本发明进一步提供一种基于平行测试的***单粒子效应检测***，包括：

两个信号处理平台，为同样的空间应用数字信号处理平台；两个信号处理平台上运行同样的程序，一个辐照其中某个器件或模块使其发生单粒子效应，另一个信号处理平台正常运行作为对比；

管理测试单元，用来给两个信号处理平台配置程序，回读、刷新、校验配置位，并且负责收集记录被辐照平台的单粒子翻转数、配置位翻转信息、关键参数信息、采集或者对比统计两个信号处理平台的输出，对***异常进行控制；

供电管理单元，用来给管理测试单元以及两个信号处理平台供电；

信号源，用来给两个信号处理平台供应相同的输入信号。

作为本发明***的进一步改进：还包括上位机，用来进行数据接收、处理、存储和显示作业，并对测试过程进行控制；所述供电管理单元把器件内部的电流反馈给上位机。

作为本发明***的进一步改进：所述信号处理平台采用典型空间应用的数字信号处理平台，对于单粒子效应敏感，用来接收地面或其他卫星的遥控信息，经信号处理平台处理，然后发送遥测、遥控和测量信号到其他卫星或地面。

作为本发明***的进一步改进：所述管理测试单元包括一块FPGA、一块PROM、两个JTAG接口及一个千兆网口芯片；所述两个JTAG接口中的JTAG1用来直接给两个信号处理平台烧录程序或者给PROM烧录程序；所述PROM的并口8位数据输出直接连接到管理FPGA之上，所述JTAG2用来给管理测试单元FPGA烧录程序，所述千兆网口芯片负责管理测试单元与上位机之间的通信。

作为本发明***的进一步改进：所述上位机包括：

数字信号功能参数显示单元，用来实时显示和监控信号处理***的状态参数；

通信管理单元，用来实现用户数据报协议连接通信、传输控制协议连接通信、串口连接通信三种通信方式；

实验过程控制单元，用来实现实验过程中的操作；

试验测试单元，用来接收和保存从管理测试FPGA传输来的配置位信息、关键参数信息。

作为本发明***的进一步改进：所述上位机与供电管理单元采用串口通信方式实现电流测试、采集和电源开关控制；所述供电管理单元由一个可编程程控电源组成，用来给两个信号处理平台和管理测试单元供电。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的基于平行测试的***单粒子效应检测方法及***，采用平行***设计，通过待测***和对应的平行***内部状态的实时监测，可以将地面重粒子试验引起的FPGA或DSP内部的状态异常自动记录下来，对比传统的遥测量记录和输出功能异常触发的测试记录方式，平行测试观测记录方法实时、高效。

2、本发明的基于平行测试的***单粒子效应检测方法及***，能够实时监控待测***与平行***之间的输出差别，可以分析不同时刻输出异常与单粒子错误发生的位置，可以准确的将单粒子错误与***功能异常建立直接的量值关系，提高了检测方法的效率，为单粒子效应的加固设计提供明确的方向性技术支持。

3、本发明的基于平行测试的***单粒子效应检测方法及***，试验输出量包括单粒子发生的时刻、位置以及关键参数试验中的变化情况，能够为***的单粒子效应能力评估提供详尽的试验数据。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是本发明***的框架结构示意图。

图3是本发明***的测试原理示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的基于平行测试的***单粒子效应检测方法，其步骤为：

S1：构建平行***；

针对待测***的核心部件DSP和FPGA部件构建平行***，平行***的DSP和FPGA的输入和输出和待测试***的输入***完全一致。

S2：搭建测试***；

两个***信号处理平台运行同样的程序，保证两个平台输入相同；即：连接好两个平行***、管理测试单元、上位机、电源和信号源等，将待测***和平行***的输出(数字量格式)输入管理测试单元，并传输至上位机实时观测输出、关键参数、时间、注量率等。

S3：开始测试；

对待测信号处理平台的器件或模块进行辐照，平行***不进行辐照，监控两个平台的输出、关键参数等。

S4：处理；

当两者(两个平台)的数字量输出或者关键参数发生变化时，管理测试单元将当前内部状态信息、关键参数、输出信号进行存储，并发送至上位机，并且上位机也对此时的时间和注量率进行存储。

S5：结果；

测试评估***通过实时记录测试***发生单粒子翻转的实验条件(如注量、当前注量率和时间)、关键参数情况、内部状态信息等，通过后期分析，可以获得单粒子效应发生位置对整个***功能、输出、状态的影响，结合不同测试条件下发生单粒子效应的状态，可以针对待测***的抗单粒子效应的能力进行有效评估。

如图2所示，本发明的基于平行测试的***单粒子效应检测***，包括：

***包含两个同样的空间应用数字信号处理平台，一个管理测试单元和一台上位机，一个供电管理单元，一个信号源。

供电管理单元，用来给管理测试单元以及两个信号处理平台供电，并且把器件内部的电流反馈给上位机；

信号源，用来给两个信号处理平台供应相同的输入信号；

两个信号处理平台，为同样的空间应用数字信号处理平台；两个信号处理平台上运行同样的程序，一个辐照其中某个器件或模块使其发生单粒子效应，另一个信号处理平台正常运行作为对比；

管理测试单元，用来给两个信号处理平台配置程序，回读、刷新、校验配置位，并且负责收集记录被辐照平台的单粒子翻转数、配置位翻转信息、关键参数信息、采集或者对比统计两个信号处理平台的输出，对***异常进行控制；

上位机，用来进行数据接收、处理、存储和显示作业，并对测试过程进行控制。

在具体应用实例中，信号处理平台可以采用典型空间应用的数字信号处理平台，一般情况下包含FPGA、DSP等大规模集成电路器件，对于单粒子效应相当敏感，其主要功能为接收地面或其他卫星的遥控信息，经信号处理平台处理，然后发送遥测、遥控和测量信号到其他卫星或地面。

在具体应用实例中，管理测试单元包括一块FPGA、一块PROM(ProgrammableRead-OnlyMemory)、两个JTAG接口(JointTestActionGroup)及一个千兆网口芯片；其中，两个JTAG接口中的JTAG1用来直接给两个信号处理平台烧录程序或者给PROM烧录程序；PROM的并口8位数据输出直接连接到管理FPGA之上，JTAG2用来给管理测试单元FPGA烧录程序，千兆网口芯片负责管理测试单元与上位机之间的通信。

在具体应用实例中，上位机包括数字信号功能参数显示单元、通信管理单元、实验过程控制单元及试验测试单元；其中，数字信号功能参数显示单元用来实时显示和监控信号处理***的状态参数；通信管理单元可以分别实现用户数据报协议(UDPUserDatagramProtocol)连接通信、传输控制协议(TCPTransmissionControlProtocol)连接通信、串口连接通信三种通信方式；实验过程控制单元可以用来实现实验过程中的操作，信号处理平台复位、开启/关闭被测FPGA看门狗保护、开启/关闭被测FPGA配置位翻转刷新保护等功能；试验测试单元包括负责接收和保存从管理测试FPGA传输来的配置位信息、关键参数信息等。

在具体应用实例中，上位机与供电管理单元采用串口通信方式实现电流测试、采集和电源开关控制。供电管理单元由一个可编程程控电源组成，可以给两个信号处理平台和管理测试单元供电，上位机可以实时显示和保存采集到的电流值，可以控制电源供电的通断，并做过流保护。

在上述技术方案中，关键参数是指对程序流程变化有影响的变量、寄存器等；输出信号是指整个信号处理***的数字输出信号；内部状态信息是指能够反映被辐照部位内部具体工作状态的信息，如FPGA的配置位状态、对外接口，如DSP的程序区内容和数据区内容，以及DSP的对外交互接口。

工作原理：在搭建好上述***之后，连接各个***单元之后，就要开始进行辐照试验测试了，如图3所示，为测试原理的示意图。对于两个信号处理平台，一个辐照某个器件或模块，另一个正常运行，管理测试单元连接两个信号处理平台，直接接受两个信号处理平台未经DA转换的数字信号进行对比，一旦发现输出存在差别，立即记录此刻的两个平台的关键参数和输出信号，记录辐照的注量率和时间，以及记录被辐照部位的内部状态信息。同样，管理测试单元监测被测平台的运行状态关键参数，一旦发现关键参数变化，立即记录两个平台的关键参数和输出信号，记录辐照的注量率和时间，以及记录被辐照部位的内部状态信息。

在试验中，记录SRAM型FPGA配置位信息的方法为：一旦发生管理测试单元监测到输出错误或关键参数变化，立即启用快照功能，记录SRAM型FPGA所有配置位的信息，然后通过SelectMAP口发送到管理测试FPGA，再由管理测试FPGA发送到上位机保存。

在试验中，记录DSP信息的方法为：一旦发生管理测试单元监测到输出错误或关键参数变化，DSP将程序区和数据区的信息通过主机接口(HostPortInterface简称HPI)发送至管理测试单元然后传输到上位机保存。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于平行测试的***单粒子效应检测方法，其特征在于，步骤为：

S1：构建平行***；针对待测***的核心部件DSP和FPGA部件构建平行***，平行***的DSP和FPGA的输入和输出和待测试***的输入***完全一致；

S2：搭建测试***；两个***信号处理平台运行同样的程序，保证两个平台输入相同；

S3：开始测试；对待测信号处理平台的器件或模块进行辐照，平行***不进行辐照，监控两个平台的输出、关键参数；

S4：处理；当两个平台的数字量输出或者关键参数发生变化时，将当前内部状态信息、关键参数、输出信号进行存储；

S5：结果；通过实时记录测试***发生单粒子翻转的实验条件、关键参数情况、内部状态信息，获得单粒子效应发生位置对整个***功能、输出、状态的影响，完成待测***的抗单粒子效应的能力评估。

2.根据权利要求1所述的基于平行测试的***单粒子效应检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，在搭建测试***时，连接好两个平行***、管理测试单元、上位机、电源和信号源，将待测***和平行***的输出输入管理测试单元，并传输至上位机实时观测。

3.根据权利要求1或2所述的基于平行测试的***单粒子效应检测方法，其特征在于，所述步骤S4中，将当前内部状态信息、关键参数、输出信号进行存储的同时，还发送至上位机，并且上位机也对此时的时间和注量率进行存储。

4.一种基于平行测试的***单粒子效应检测***，其特征在于，包括：

两个信号处理平台，为同样的空间应用数字信号处理平台；两个信号处理平台上运行同样的程序，一个辐照其中某个器件或模块使其发生单粒子效应，另一个信号处理平台正常运行作为对比；

管理测试单元，用来给两个信号处理平台配置程序，回读、刷新、校验配置位，并且负责收集记录被辐照平台的单粒子翻转数、配置位翻转信息、关键参数信息、采集或者对比统计两个信号处理平台的输出，对***异常进行控制；

供电管理单元，用来给管理测试单元以及两个信号处理平台供电；

信号源，用来给两个信号处理平台供应相同的输入信号。

5.根据权利要求4所述的基于平行测试的***单粒子效应检测***，其特征在于，还包括上位机，用来进行数据接收、处理、存储和显示作业，并对测试过程进行控制；所述供电管理单元把器件内部的电流反馈给上位机。

6.根据权利要求4或5所述的基于平行测试的***单粒子效应检测***，其特征在于，所述信号处理平台采用典型空间应用的数字信号处理平台，对于单粒子效应敏感，用来接收地面或其他卫星的遥控信息，经信号处理平台处理，然后发送遥测、遥控和测量信号到其他卫星或地面。

7.根据权利要求5所述的基于平行测试的***单粒子效应检测***，其特征在于，所述管理测试单元包括一块FPGA、一块PROM、两个JTAG接口及一个千兆网口芯片；所述两个JTAG接口中的JTAG1用来直接给两个信号处理平台烧录程序或者给PROM烧录程序；所述PROM的并口8位数据输出直接连接到管理FPGA之上，所述JTAG2用来给管理测试单元FPGA烧录程序，所述千兆网口芯片负责管理测试单元与上位机之间的通信。

8.根据权利要求5所述的基于平行测试的***单粒子效应检测***，其特征在于，所述上位机包括：

数字信号功能参数显示单元，用来实时显示和监控信号处理***的状态参数；

通信管理单元，用来实现用户数据报协议连接通信、传输控制协议连接通信、串口连接通信三种通信方式；

实验过程控制单元，用来实现实验过程中的操作；

试验测试单元，用来接收和保存从管理测试FPGA传输来的配置位信息、关键参数信息。

9.根据权利要求5所述的基于平行测试的***单粒子效应检测***，其特征在于，所述上位机与供电管理单元采用串口通信方式实现电流测试、采集和电源开关控制；所述供电管理单元由一个可编程程控电源组成，用来给两个信号处理平台和管理测试单元供电。