一种FPGA的SEU效应测试方法研究

王志国　孟令军　张皓威　张敏

摘要：为对"GA在低空环境下受高能粒子辐射而产生的单粒子翻转（SEU）进行失效统计，设计一种便携式实时FPGA的SEU效应测试系统。该系统采用FPGA作为主控模块，以树莓派作为上位机，通过长距离低压差分信号线远程连接到被测FPGA进行测试。上位机接收测试结果存储至SD卡，并实时显示到车载显示器，以供测试人员即时了解测试情况。经过在青藏高原实地测试，获得大量的现场数据。对测试结果进行分析，得到的大气中子剂量与FPGA的SEU事件概率之间的数值关系与预期一致。测试结果表明该便携式实时测试系统科学有效，可为低空飞行器的FPGA选型提供一定参考。

关键词：FPGA;低空环境;单粒子翻转;树幕派;低压差分信号

中图分类号：V11 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）01-0115-06

0 引言

由于FPGA具有容量大、速度快、稳定性好、并行数据处理能力强以及开发成本低周期短的特点，被广泛应用于航空宇航领域的控制与信号处理[1]。目前绝大多数FPGA属于SRAM型逻辑块阵列，是一种易失性存储器件[2]，尤其是集成电路工艺达到了微米、纳米级别，FPGA的内核电压降低、门数剧增[3]，单粒子翻转（single event upset，SEU）、单粒子功能中断（single event function interrupt，SEFI）和单粒子瞬态脉冲（single event transient，SET）等一系列单粒子效应发生的可能性大大增加[4]。其中，SEU是最常见的FPGA单粒子故障，当空间各类粒子（如质子、中子、α粒子等）对FPGA产生辐射，很容易发生SEU，从而使FPGA功能紊乱甚至失效，对飞行器造成不可预估的影响和损害[5]。因此，国内外许多研究机构对FPGA的SEU效应进行了研究。

现在，对于FPGA的SEU效应的测试方法主要有分析模型法、故障注人法以及现场错误数据分析法[6]。分析模型法主要针对小型电路系统，且其计算复杂，耗费人力;故障注人法是人为引入故障测试FPGA，但仍然与真实环境有差别;现场错误数据分析法目前主要是针对航天领域的FPGA测试，我国的航天某研究所与高校都曾做過实验，将测试设备带入太空，可以获得真实有效的数据。

本测试系统采用的是现场错误数据分析法，主要对低空飞行器机载FPGA进行SEU测试。与航天部门的实验相比，本测试系统具有成本低、测试周期短、灵活性强、算法复杂度小的特点。本文选择我国青藏高原地区进行地面测试，青藏高原海拔在3000～5000m（测试点及其海拔高度分布如表I所示），大气稀薄，空间辐射大，可以很好地模拟低空环境。

1 系统组成与测试原理

1.1 系统组成

该测试系统主要包括：树莓派（Raspberry Pi）上位机与测试台模块，FPGA主控模块，被测FPGA模块，中子探测仪以及GPS模块。系统整体组成如图1所示。

树莓派上位机采用Python语言编程[7]，用于实时存储与显示单粒子翻转现象的测试结果;FPGA主控模块作为被测FPGA的信号源，完成测试数据回读，与原数据对比得出结果并经过LVDS线[8]上传到上位机;中子探测仪实时获取测试点大气中中子剂量，将中子检测结果传输到主控FPGA，由主控FPGA编帧发送到上位机存储，以此作为判断大气粒子实时剂量的参考值;GPS模块实时获取测试点的经纬度信息、年月日时分秒信息，同时为系统提供秒脉冲（PPS）信号，将其作为数据采集存储基准触发时钟。

1.2 测试原理

1.2.1 SEU效应原理

本文设计的测试系统，主要测试SRAM型FPGA的单粒子翻转效应。SRAM型FPGA编程功能是依靠无数个SRAM存储单元存放的数值（“0”或“1”）[9]，本文测试的两款FPGA分别为CycloneⅡ代（EP2C8T11418）和CycloneⅢ代产品（EP3CSE144C7），均为SRAM型FPGA。前者存储单元数为16万余个，后者总的存储单元数为42万余个。这两个型号的FPGA均为实验室常用型号，属于中低集成度的常用芯片。图2是典型的6T（6管）SRAM存储单元结构示意图。

M₁与M₂组成一个CMOS反相器a，其中M₁的G端（栅极）与M₂的G端连结为输入（in，与图中的“Q”相连），M₁的S端（源极）接GND，M₂的S端接Vcc，M₁的D端（漏极）与M₂的D端连结作为输出（out，与图中的“Q非”相连）。M₃与M₄组成一个CMOS反相器b，由CMOS反相器a、b交叉耦合组成锁存器[10]。根据CMOS管的通断可以判断SRAM的输出值，具体对应关系如表2所示。

根据图2可知，当M₁与M₄导通，M₂与M₃关断时，SRAM存储单元内容为“1”（即Q为“1”）。此时M₃的D端电势为V_CC，所以M₃的漏极PN结处于反偏状态。当空间环境中具有一定能量的重粒子射入M₃的漏极PN结附近时（图3中被圈起的部分），在该高能粒子入射轨迹周围的P型衬底被电离化形成耗尽层[11]，由此产生从M₄的S端到M₃的D端形成一个瞬间脉冲电流I_P。在M₄的内部存在导通电阻R，在瞬间脉冲电流I_P的作用下，M₄的S端到D端之间形成一个压降Ue，其计算公式为

Ue=I_P×R（1）

则，M₃的D端电势降低为

U_D=U_CC-Ue（2）

当U_D 降低时，意味着M₁与M₂的G端电势U_G也会降低。如果环境中高能粒子剂量较高，不断入射到FPGA之中，I_P不断增大就会使U_G降到比M₁关断而M₂导通的临界值U_SD还要小。一旦M₁关断而M₂导通，M₁与M₂的D电势变为V_CC，即“Q非”从“0”跳变为“1”，由于SRAM的驱动能力大于其锁存能力，因而“Q”从“1”跳变为“0”，发生了逻辑翻转，存储单元存储的内容从原来的“1”变为“0”[12]，即SEU。

1.2.2 测试系统工作原理

主控FPGA发送测试数据地址给被测FPGA，同时计时器进行计时，在规定时间内未收到被测FPGA返回的数据则发送错误标志给Raspberry Pi;否则将被测FPGA返回的数据与预定的数据进行比较，如果相等则说明没有发生SEU，发送正确标志给Raspberry Pi，否则发送错误标志。主控FPGA每发送一个地址，地址加1，从RAM中读取的数据地址也加1，在被测FPGA的RAM中的内存初始化文件中，其每一个地址上的数据都不相同，这样数据就可以不断变化并且逐个比较。测试信号流及方法如图4所示。

此外，为了使被测FPGA的RAM覆盖率达到90%以上，该系统根据被测FPGA不同逻辑存储容董巍量置不同数量RAM。RAM的数量根据被测FPGA的BANK数量来划分，即EP2具有4个BANK，就分配4个RAM，从不同BANK的引脚中各挑选一对作为控制FPGA与被测FPGA的连接引脚，EP3则为8对，在控制FPGA主控程序中循环切换，以此来保证被测FPGA的被测存储单元达到最大可能。

2 系统软件设计

2.1 主控FPGA逻辑设计

主控FPGA为本系统的核心模块，其功能主要为接收测试台的控制指令，编帧处理中子探测仪与GPS模块的数据，接收对比被测FPGA的数据并编帧发送到树莓派上位机。每测试完成一个循环，主控FPGA需要判断上位机是否下发停止测试指令。具体工作流程如图5所示。

2.2 上位机逻辑设计

本系统采用树莓派作为上位机，其主要功能是接收测试结果，记录测试次数，显示测试结果，将测试结果、GPS报文信息和中子探測仪的数据存储到SD卡中。其工作流程如图6所示。

3 单粒子翻转测试结果及分析

在青藏高原测试时间共8d，分6个测试点，依次是西宁郊区、青海湖、格尔木市区、拉萨市区、羊卓雍错和纳木错。将保存在SD卡的测试结果数据读出并进行统计分析，本文显示的结果是经过长时间测试提取的具有参考意义的部分，时长均为2h（即横轴时间为7200s）;中子辐射曲线是相对应的2h的大气中子剂量，单位微西弗每小时（μSv/h）;FPGA误码分布曲线，1代表正常，0代表存在误码。

图7、图8分别显示了在西宁郊区和纳木错实验采集的数据用Matlab处理的结果。根据Matlab处理结果，对比两个地点的具体测试情况可知：1）在海拔相对较低的地点（西宁），中子辐射剂量0μSv/h和5μSv/h比较多，SEU事件次数基本为0：CycloneⅡ代FPGA芯片SEU次数为0，CycloneⅢ代FPGA芯片大致在第4200s的时候翻转了1次;2）在海拔相对较高的地点（纳木错），中子辐射剂量5，10，15μSv/h较多，且最大值达到了25μSv/h，SEU事件次数也有所增多：CycloneⅡ代FPGA芯片大致在第4600s和5300s翻转了2次，CycloneⅢ代FPGA芯片在第1500s和第6500s之间翻转了5次。

由上述分析可以简单得出，中子辐射剂量和FPGA芯片的SEU事件与海拔高度有一定的关联性。表3是6个测试点的大气中子剂量最大值统计表，表4是6个测试点的单粒子翻转次数统计表。

分析表3可知，中子辐射的剂量值在随着海拔的升高而缓慢增大;分析表4可知，随着海拔的升高，不论是Cyclone Ⅱ代FPGA芯片还是CycloneⅢ代FPGA芯片，SEU发生的概率都在不断增大。综合以上两点可得，空气中子剂量的增多会使FPGA芯片发生SEU事件的概率增大。

将表3与表4统计分析与表1所示的测试地点地理信息分布结合分析，可以看出单粒子翻转现象与海拔高度有一定的线性关系：随着海拔的升高、以及越接近珠峰方向，大气中子剂量值也就越高，FPGA发生SEU的概率也就越大，该结论与预期一致。

4 结束语

本文通过树莓派与FPGA结合使用，同时存储与显示FPGA的SEU效应测试结果，可以实时得知被测FPGA的失效情况。该测试系统在青藏高原的6个地点进行实地测试，获得了大量低空（海拔3000～5000m）环境下FPGA的SEU效应数据，验证了在低空环境下，FPGA发生单粒子效应的可能性。该测试系统体积小、质量轻、便于携带，且测试结果具有实时性，能及时反馈给实验人员，极大地简化了FPGA的SEU效应测试流程。

现阶段的FPGA选型评价，需要从产品的需求方面分析，如逻辑复杂度、FPGA发生SEU概率等方面综合考虑。对于一般的地面设备，逻辑复杂度低的，且属于低海拔地区，则基本不需要考虑FPGA的SEU效应，选择逻辑门较少的FPGA即可实现功能;对于逻辑复杂度要求较高的，海拔较高，单粒子辐射较强的区域，则需要考虑使用逻辑门较多的FPGA，且必要时需要进行单粒子防护与加固。本系统可以为包括民用飞机、战斗机等在内的低空飞行器上FPGA的选型提供一种测试方式。

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