【摘要】：輻射導(dǎo)致的單粒子效應(yīng)(Single Event Effect,SEE)嚴(yán)重威脅著航天電子設(shè)備,甚至地面電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。SEE會(huì)使系統(tǒng)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)生翻轉(zhuǎn),使系統(tǒng)功能紊亂,嚴(yán)重時(shí)還可能使系統(tǒng)損壞。因此,在電子系統(tǒng)被用于嚴(yán)苛環(huán)境前,必須對(duì)其器件的SEE敏感性進(jìn)行評(píng)估,以便篩選合格的器件;并對(duì)其系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行加固,以提高其SEE抵抗能力。重離子實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行SEE敏感性測(cè)試,驗(yàn)證加固算法的最主要的方法之一。蘭州重離子加速器(Heavy Ion Research Facility in Lanzhou,HIRFL)是一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。為了評(píng)估電子器件的SEE敏感性,驗(yàn)證加固算法的可靠性,基于HIRFL,我們?cè)O(shè)計(jì)了一套靈活、可靠、兼容性強(qiáng)的SEE測(cè)試系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中,多種設(shè)計(jì)方法和可靠性策略被引入。測(cè)試系統(tǒng)采用合理的系統(tǒng)級(jí)構(gòu)架,既保證了功能和性能的需求,又能避免實(shí)驗(yàn)人員受到輻射傷害。測(cè)試系統(tǒng)采用主控制板和待測(cè)器件(Device Under Test,DUT)子板分離結(jié)構(gòu)。主控制板用于實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能;DUT子板用于承載DUT,可通過(guò)多種形式和主控制板相連。測(cè)試不同的器件,僅需要更換DUT子板即可。通過(guò)重用主控制板,提高了系統(tǒng)的通用性和靈活性,降低了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本。測(cè)試系統(tǒng)可以為DUT子板提供多達(dá)120條單端,40對(duì)差分信號(hào)接口,這些接口兼容1.5V、1.8V、2.5V、3.3V的多種電平標(biāo)準(zhǔn),并具有不低于200 Msps的數(shù)據(jù)傳輸速率。因此,大量不同類(lèi)型、規(guī)模、接口的數(shù)字器件都可以被兼容。測(cè)試系統(tǒng)具有監(jiān)控單元和測(cè)試單元兩個(gè)核心單元。監(jiān)控單元通過(guò)監(jiān)控測(cè)試系統(tǒng)工作時(shí)的各種狀態(tài)以保護(hù)測(cè)試系統(tǒng),使其不會(huì)因?yàn)樯岵涣�、偏離束流線的粒子的輻照而發(fā)生故障。測(cè)試單元以現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)為核心,能夠提供強(qiáng)大的可編程能力,用于實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)�；谝陨蟽�(yōu)點(diǎn),測(cè)試系統(tǒng)不僅能夠滿(mǎn)足當(dāng)前的測(cè)試任務(wù),還能應(yīng)對(duì)未來(lái)更加復(fù)雜的測(cè)試需求。基于該測(cè)試系統(tǒng),在HIRFL的束流實(shí)驗(yàn)中,對(duì)大量SRAM和幾款FPGA進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。通過(guò)實(shí)驗(yàn),不僅證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需求,還發(fā)現(xiàn)了一些現(xiàn)象,取得了一些研究成果。在SRAM實(shí)驗(yàn)中,測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)RAM中發(fā)生的單粒子閂鎖(Single Event Latchup,SEL)以及單粒子翻轉(zhuǎn)(Single Event Upset,SEU),包括單位翻轉(zhuǎn)(Single Bit Upset,SBU)和多位翻轉(zhuǎn)(Multiple Bit Upset,MBU)進(jìn)行甄別,并且能夠提供詳細(xì)的相關(guān)信息,包括發(fā)生時(shí)間、發(fā)生位置、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)等。為SRAM的SEE研究提供了良好的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上,相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)了糾錯(cuò)編碼(Error Correction Coding,ECC)對(duì)SRAM翻轉(zhuǎn)率的影響和失效機(jī)制,以及溫度對(duì)翻轉(zhuǎn)率的影響。在SRAM測(cè)試的基礎(chǔ)上,開(kāi)展了對(duì)FPGA的測(cè)試工作。在目前的測(cè)試中,測(cè)試系統(tǒng)能夠甄別發(fā)生在FPGA中的SEL事件和可編程邏輯陣列中的SEU事件。FPGA的SEE敏感性得到評(píng)估。另外,一種常用的FPGA加固算法,三模冗余(Triple Modular Redundancy,TMR)算法也被測(cè)試。初步實(shí)驗(yàn)證明,TMR可以有效的提高系統(tǒng)的可靠性。
【圖文】：

大規(guī)模數(shù)字邏輯器件的單粒子效應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)圖1．1 近地空間輻射環(huán)境[4]表1-1 近地空間輻射的主要屬性[3]類(lèi)型 最大能量 最大通量 輻射效應(yīng) 屏蔽效率銀河宇宙線 ~1011GeV ~10 cm-2s-1SEE 低太陽(yáng)粒子事件 ~10 GeV/n ~105cm-2s-1(> 10 MeV/n)TID, DD, SEE 中等地球輻射帶捕獲的質(zhì)子 ~500 MeV ~105cm-2s-1(> 10 MeV/n)TID, DD, SEE 中等地球輻射帶捕獲的電子 ~10 MeV ~106cm-2s-1(> 1 MeV/n)TID, DD, ESD 高1．1．1．1 銀河宇宙射線（GCR）銀河宇宙射線主要指來(lái)自太陽(yáng)系外的高能帶電粒子[1-6][11-12]。1912 年，奧地利物理學(xué)家 Victor Hess 發(fā)現(xiàn)宇宙線，并于 1936 年憑此發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)[3]。GCR 主要由質(zhì)子（約占 87%）、α粒子（約占 12%）以及重離子（約占 1%）組成[4]。GCR 中重離子的類(lèi)型非常廣泛，，其中原子序數(shù)在 28（鎳）以?xún)?nèi)的元素的通量遠(yuǎn)大于其他重離子[2,3]。GCR 引起的輻射效應(yīng)主要是 SEE，所以通常會(huì)以線性能量轉(zhuǎn)移值（linear energy transfer，LET）來(lái)衡量其能量[3-4]。LET 是指帶電粒子在

[4]。圖1．2 GCR 中幾種粒子的通量和太陽(yáng)活動(dòng)的關(guān)系[4]圖1．3 GCR 的積分 LET 能譜與太陽(yáng)活動(dòng)的關(guān)系[4]銀河宇宙射線的通量也會(huì)受到地磁場(chǎng)的影響[2-4]。鑒于帶電粒子和磁場(chǎng)的相互
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院（近代物理研究所）
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TP274;TP333;TN791

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本文編號(hào)：2638175