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一种通用型单粒子效应试验系统设计方法分析

2020-11-20 116 上传者：管理员

摘要：单粒子效应试验是地面评估元器件抗辐射性能的有效方法。随着航天事业的高速发展,宇航元器件需求逐年增大,对其辐射性能评价的单粒子试验越来越频繁。提出一种通用型单粒子效应试验系统,可满足大部分数字电路的单粒子试验评价需求。从系统架构、硬件设计及软件设计几个方面对单粒子效应试验系统的设计方法进行介绍。基于该系统可以方便地进行不同型号数字电路的单粒子效应试验系统开发,缩短系统开发周期,提升效率。

关键词：
单粒子效应
单粒子效应试验
单粒子试验
宇航用元器件
数字电路
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1、引言

单粒子效应是空间单个高能粒子（质子、重离子或中子）轰击微电子器件，引起微电子器件逻辑翻转或者器件损毁的事件[1]。由于航天环境的复杂性，要求宇航用元器件必须具备高可靠性，尤其是具备高抗单粒子辐射效应性能。随着制造工艺的高速发展，电路集成度越来越高，发生效应所需要的能量阈值变小，对单粒子效应更加敏感[2]。单粒子效应试验是目前衡量宇航元器件抗辐射性能指标的主要手段。数字电路主要关注单粒子闩锁、单粒子功能中断以及单粒子翻转等效应[3]。通过在地面实验室以特定的环境来模拟宇宙空间的特殊环境，表征器件在被辐射状态下的工作情况以达到地面验证的目的。在以往的单粒子效应试验中，对于每一款元器件要建立包括系统架构、软硬件设计在内的一整套独立的评价方案，不仅花费了较多时间进行设计，同时需要对每个新系统进行单独调试，而且由于各设计师对试验的理解程度不同，最终试验系统的试验效果也容易出现差异，同时由于设计方案的差异还可能会导致在多个项目连续试验过程中衔接不畅，造成试验机时的不必要损失。鉴于近几年单粒子试验需求的大幅增加，有必要对试验系统设计进一步开展研究。

本文介绍了一套通用的单粒子试验系统，从系统架构、硬件设计、软件设计等几个方面具体阐述了该系统的设计和使用方法，基于此系统可方便地进行二次开发，满足大部分数字电路单粒子试验的需求。

2、系统方案

2.1 系统架构

单粒子效应试验受辐射源限制，需在特定的场所进行。由于辐射源对人体具有伤害性，试验人员需要在观察室通过远程监控的方式进行试验。试验元器件及整个试验系统放置在辐照室，通过网线和监控系统相连。试验开始时，NI工控机给试验板供电，同时发出指令控制试验板给被辐照元器件提供激励信号。数字电路的单粒子试验板一般配备处理器，将处理完成的数据发送回NI工控机。结合不同元器件试验的具体要求，NI工控机还可以程控如信号源、示波器、频谱仪等仪器，共同组成试验系统。所有试验结果由NI工控机的上位机软件处理并保存，试验人员在观察室远程登陆，对试验进行监控和操作[4]。现场环境如图1所示。

图1单粒子效应试验环境

2.2 试验方案

单粒子效应试验的核心是检测元器件在被重离子辐照下产生的单粒子效应。数字电路的单粒子效应最常见为单粒子闩锁（SEL）和单粒子翻转（SEU）。检测单粒子闩锁效应的方法主要是监测辐照过程中元器件的工作电流，如电流急速增大超过阈值且通过软复位不能恢复，则判断发生了单粒子闩锁。器件单粒子闩锁引发的电流大约在0.03～3A，断电前往往无法恢复正常，严重的会导致器件损毁[5]。检测单粒子翻转效应的方法相对较多，试验中对元器件进行测试较为复杂。即使对于相同的元器件，测试方法不同，测试结果也不相同，甚至差别很大。对于大部分数字电路，都可以采用单机控制金片法来进行辐照时的测试。单机控制金片法是用控制器给两个相同的器件提供系统的输入信号，一个被辐照，另一个被屏蔽。控制器检测并比较两者的输出，当两个器件输出不一致时，则判断发生了单粒子翻转[6]。控制器将错误的数量、模式等信息通过串口发送给NI工控机，由上位机软件处理并存储。系统的工作框图见图2。从图2可见，单粒子效应试验系统主要包括两个部分：试验板和NI工控机。试验板完成对被测器件的初始化并对其进行测试及比对，NI工控机为系统供电，上位机软件能对数据进行处理、存储和检索，同时还具有自动复位和手动复位的功能。两者一起共同完成了对单粒子事件的诊断和记录功能，实现了单粒子辐照性能的评价。

图2单粒子效应试验系统

3、硬件设计

试验系统硬件设计主要为试验板设计。由于试验板在试验时需要固定在靶室的样品架上，串列静电加速器样品架有固定的尺寸，靶室有空间的限制，所以试验板设计不仅要满足功能测试的需求，还需要符合相应的结构要求。目前国内外大多数的试验板是将控制器和被辐射器件设计在同一块试验板上，由于控制器部分占用了较多样品架区域内的辐照位置，试验时采用堆叠试验板的方式获取更多的试验区域，见图3。实际操作中，堆叠的方式排列起来较为繁琐，往往堆叠至3层甚至4层，对辐照区域的利用率仍不够高，且调试过程中处于底部的试验板出现问题，需要重新进行拆卸堆叠，造成试验机时的浪费。区别于目前大多数试验板的设计，通用数字电路辐照试验板在硬件设计时将控制器件和被辐射器件分别设计在子母板上，采取上下插接的方式，将被辐照的器件设计在子板上置于顶层，将控制器件设计在核心控制母板上置于底层，底层固定在样品架上。这种结构设计有两个优点：1）子板按照标准尺寸设计（样品架单个象限1/4或1/2大小），拼接后几乎覆盖整个样品架区域，区域内能尽量多地放置被辐照电路，极大限度地利用了辐照区域；2）母板设计成通用核心板，可方便地通过FPGA配置被辐射器件的输入激励，对于不同型号的数字电路试验板开发，只需设计包含电路的夹具及简单外围的子板，即可完成试验板的快速开发，大幅度缩短了研制周期和成本，实现降本增效。图4(a）为设计的通用核心板，选用Altera公司的Cyclone-V作为主控制器，可提供电平可调数字I/O226路，提供差分信号23对，配备高速连接器，支持1Gbit/s数据传输速率，可以作为接口、总线、存储器、ASIC等多种数字电路的辐照试验核心通用板。图4(b）为设计的型号为JXXXXXXX的子板，通过高速连接器和母板相连。进行不同项目的试验研发，只需要设计对应的子板，并更新母板的FPGA程序即可完成，方便快捷。

图3多板叠装效果示意图

图4通用单粒子试验板

4、软件设计

单粒子试验软件的主要工作包括两方面：一是控制NI电源板卡给测试板供电，同时监控系统的电流变化情况；二是通过串口与测试板进行通讯，并记录数据。目前国内外单粒子试验的软件设计方法是一个产品对应一个独立的上位机软件。这种做法存在以下问题：1）设计工作量大，每次有不同产品进行单粒子试验需要重新开发程序，使用和维护均相对繁琐；2）试验数据较多、格式不统一，由于不同产品设计师思路不一，导致了设计差异，不便于后期对数据进行整理和比较分析；3）各软件的操作不尽相同，增加了试验人员现场调试工作量和事先学习成本。在目前常用的软件方式上进行改进，设计了一款通用型的上位机试验软件，实现多个产品共用同一款上位机软件。该软件有如下改善：1）缩短了软件开发调试周期，采用引导式半自动开发模式，可以快速进行方案开发；2）统一数据存储格式，确保了试验结果的完整性、规范性；3）采用统一的软件界面，方便不同试验人员对其操作。

该款通用型试验软件基于LABVIEW13.0设计，可以方便在同一界面下进行软件的快速设计和运行。通用软件分为两种模式：配置模式和测试模式。配置模式中，使用者可对测试方案进行创建、修改、查阅和删除，见图5(a）。在测试模式中，使用者可在已配置的测试方案中进行选择，通用软件会根据方案生成相应的测试界面供使用者使用，见图5(b)[7]。

图5通用试验软件界面

在配置模式下，软件包括4个界面：选择界面、基本信息界面、串口信息界面和电源信息界面。各界面按上述顺序呈现，且在切换前对本页信息进行检查校验，以实现对使用者的引导，防止试验所需信息缺失。在选择界面中，使用者可选择创建、修改、查阅或删除测试方案。在选择创建方案或修改方案后，软件将跳转至基本信息界面。在基本信息界面，引导使用者完善测试方案基本信息，如方案名称、编辑者姓名、编辑日期等。在串口信息界面，使用者需填写串口波特率、数据位长度等串口属性，还需填写软件下发的具体指令内容，软件接收的数据类型名称见图6(a）。在电源信息界面，本软件将支持3块NI电源板卡（共计6路电源输出）的控制。使用者需根据使用情况，填写电源电压、限流、启动时间等具体信息，见图6(b）。

图6软件配置模式界面

在测试模式下，软件主要由两个界面组成：选择界面和测试界面。在选择界面中，使用者需从已配置方案中选择待测试方案，同时选取所需的串口通讯资源。在此界面中，通用软件会对串口资源合法性进行检测，并给出相应提示。测试界面会根据使用者选取方案的不同自动生成相应界面。在该界面中，使用者只需要选择相应测试工位，单击开始测试按钮即可开展测试。通用软件会自动根据方案内容完成测试板的供电和通讯工作，并将测试结果进行显示和记录，测试模式运行界面见图7。

同时，该界面也支持电源相关配置的修改，方便试验过程中快速对相关条件进行配置。

图7软件测试模式运行界面

5、结论

本文介绍了一种通用型的数字电路单粒子辐照试验系统。该试验系统目前已经通过多款数字电路单粒子辐照试验的验证，具有适应能力强、便捷性高、管理使用方便等特点，能快速对数字电路进行单粒子试验系统开发，试验效果良好。随着宇航元器件自主可控的需求越来越大，集成电路复杂程度不断增高，单粒子辐照试验技术还要克服高速、高精度、高存储容量等问题。

参考文献：

[1]贺朝会,李永宏,杨海.单粒子效应辐射模拟实验研究进展[J].核技术,2007,30(4):347-351.

[2]高王雷,蒋见花,谢朝辉,等.针对存储器单粒子效应的测试系统设计[J].计算机测量与控制核电子学与探测技术,2013,33(12):1519-1522.

[3]夏加高,李文新,朱博,等.工业以太网芯片单粒子实验测试系统研制[J].计算机测量与控制,2016,24(3):40-43.

[4]蔡阳阳,陶伟,郭刚,等.CAN控制器单粒子效应测试系统的研制[J].中国电子科学研究院学报,2019,14(4):387-392.

[5]王忠明.SRAM型FPGA的单粒子效应评估研究[D].北京:清华大学,2011.

[6]宇航用半导体器件重离子单粒子效应试验指南.中华人民共和国航天行业标准:QJ10005-2008[S].北京:国防科学技术工业委员会,2008.

[7]杜守刚.通用存储器单粒子效应测试系统研究[D].西安:西安电子科技大学,2010.

陈嘉鹏,何威,王威.一种用于数字电路单粒子效应试验的系统设计[J].电子与封装,2020,20(11):53-57.