卫星的“单粒子翻转”是什么意思?
一种数字电路单粒子翻转测试方法

一种数字电路单粒子翻转测试方法
邢泽全;郭绍陶;郑已
【期刊名称】《微处理机》
【年(卷),期】2023(44)1
【摘要】为提高航天器系统设计的可靠性,避免单粒子效应对航天器系统造成损坏,在单粒子翻转经典测试方法"黄金芯片比较法"的基础上,设计一种硬件实现的测试方法。
方法通过对输出高低电平相关区域的重新取舍,采用合适芯片从硬件上实现数据选择器、锁存器与数值比较器的功能优化,并进行FPGA移植,以解决经典方法在电平翻转时出现误判的问题。
同时也详细阐述了移植FPGA过程中的器件选取与程序设计。
实际测试表明,改进后的测试方法获得了良好的抗干扰性,为单粒子效应模拟试验提供有效的支持。
【总页数】4页(P10-13)
【作者】邢泽全;郭绍陶;郑已
【作者单位】中国电子科技集团公司第四十七研究所;沈阳工程学院电力学院【正文语种】中文
【中图分类】TN407
【相关文献】
1.一种用于数字电路单粒子效应试验的系统设计
2.一种XILINX7系列FPGA的抗单粒子翻转加固技术
3.一种低成本小卫星重要数据抗单粒子翻转方法
4.一种
28nm工艺下抗单粒子翻转SRAM的12T存储单元设计5.一种数字电路单粒子翻转试验系统设计
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卫星用SRAM型FPGA抗单粒子翻转可靠性设计研究

引言随着卫星技术的不断发展,卫星的功能越来越复杂。
卫星的功能离不开FPGA 技术的支持。
然而,卫星运转的环境非常苛刻,容易受到辐射颗粒的影响,进而导致单粒子翻转(Single Event Upset ,SEU)现象的发生。
针对这一问题,本文提出采用SRAM 型FPGA 抗单粒子翻转可靠性设计的方法,以提高卫星的可靠性。
FPGA 的原理FPGA(Field-Programmable Gate Array)是一种采用可编程门电路实现的集成电路。
通过FPGA,开发人员可以自由编程,将其变为自行制定的特定电路或处理器。
若干个可编程逻辑单元(Programmable Logic Block ,PLB)、一些时钟管理模块、存储器、和输入/输出模块等构成了FPGA 的架构。
各种模块间的连接通过可编程的路由器实现。
FPGA 的可编程性是其最大的特点之一,这一特性使FPGA 比前面的ASIC (Application Specific Integrated Circuit)更加灵活。
FPGA 的SEU 问题FPGA 在卫星中的应用已经变得非常广泛。
然而,卫星在轨运行的环境却非常恶劣,包括极端的温度、空气和重力等,其中最大的问题是粒子辐射。
在高能脉冲射线的辐射下,晶体管容易发生单粒子翻转,即SEU。
单粒子翻转有可能导致电路故障,进而产生错误的计算结果。
这种问题的出现会严重影响卫星的正常运转。
在FPGA 中,存储在SRAM 中的开关逻辑电路众多,这意味着FPGA 中存在着大量的SEU 敏感电路。
一旦发生单粒子翻转,存放在SRAM 中的状态就会被改变,从而导致计算结果的变化。
大多数FPGA 供应商都采用种种技术来加强FPGA 的SEU 抵御能力,而SRAM 型FPGA 对于单粒子翻转的敏感性也较高。
因此,加强SRAM 型FPGA 的抗SEU 能力尤为重要。
SRAM 型FPGA 抗SEU 技术目前,针对SRAM 型FPGA 的抗SEU 技术可以归纳为以下几种。
电离辐射对电子元器件的影响研究

电离辐射对电子元器件的影响研究电离辐射是指能够带电离气体分子或原子的辐射,常见的电离辐射包括γ射线、X射线、紫外线和高能带电粒子等。
这些辐射不仅对人体健康产生负面影响,而且还会对电子元器件的性能和可靠性产生影响,因此电离辐射对电子元器件的影响研究是一个具有重要意义的课题。
一、电离辐射对电子元器件的影响1. 容易引起电荷积聚电子元器件在工作过程中会受到来自环境中的电离辐射的影响,这些辐射会使得电子元器件表面产生电荷积聚,从而影响元器件的电性能和稳定性。
2. 容易产生单粒子翻转单粒子翻转是指在电子元器件中,由于电离辐射作用,单个电子产生的辐射效应可能会导致元器件中存在“卡在错误状态”的现象,从而对元器件的工作产生负面影响。
3. 容易影响元器件寿命和性能电离辐射会在电子元器件中产生芯片中子效应,从而产生大量的杂散电荷,影响器件的性能和寿命,特别是针对高精度的电子器件而言,更是影响重大。
二、电离辐射对电子元器件的防护方法1. 在元器件生产的过程中,应该对材料和器件加工工艺进行合理选择和优化。
2. 对元器件进行射线、稳态相干辐射等的抗干扰能力和抗离子辐照加固能力的测试,以及电子脉冲宽度、频率等特性的测试,从而为元器件科学设计、生产和工艺提供重要的科学依据。
3. 合理选择环境、调整工作模式。
尽可能避免在高辐射环境下使用电子元器件,特别是一些精密仪器和高性能芯片,如果在高辐射环境下必须使用,应该采取适当的防护措施,比如在芯片表面加上镀金层,以提高芯片通透性和抗辐射能力,即使出现单粒子翻转现象,芯片感应处理能够将这些错位的信息对其进行矫正,从而降低运行风险,提高运行稳定性。
四、结语随着现代科技的不断发展,电子元器件在各个领域得到了越来越广泛的应用。
然而,电离辐射对电子元器件的影响必须得到足够的重视,因此应该设计和生产更加具有抗干扰能力和抗电离辐射能力的电子元器件,并在使用过程中进行合理防护,降低其受到辐射的风险,提高其安全性和可靠性,从而进一步推动电子元器件的发展。
卫星用SRAM型FPGA抗单粒子翻转可靠性设计研究

2021年9期科技创新与应用Technology Innovation and Application众创空间卫星用SRAM 型FPGA 抗单粒子翻转可靠性设计研究严健生,杨柳青(中国科学院微小卫星创新研究院,上海201203)1概述宇宙高能粒子(太阳宇宙线或银河宇宙线)射入半导体器件SRAM 单元灵敏区时可使器件逻辑状态翻转,导致系统功能紊乱。
这种单粒子翻转(SEU )造成的逻辑错误不是永久性的,一般不会造成器件的物理性损伤。
SEU 已经成为卫星电子设备的常见错误。
目前大多数FPGA 基于SRAM 结构。
SRAM 型FPGA 的用户组合和时序逻辑都是用可配置的存储单元(即SRAM 单元)实施。
根据SRAM 的结构特点和SEU 产生的机理,SRAM 是FPGA 中最容易产生翻转的部分。
随着集成电路工艺向低电压、高集成度方向发展,相应的空间SEU 阈值越来越低,因此FPGA 发生故障的概率越来越高,最终导致计算结果错误、程序执行任务系列错误、数据域改变、程序指令错误导致系统跑飞异常复位、甚至导致卫星相关系统永久失效、烧毁。
因此针对SRAM 型FPGA 很有必要进行高可靠性设计。
针对SRAM 型FPGA 的特点,本文分别从硬件设计角度和软件设计方面对SRAM 型FPGA 设计提出可靠性设计。
2可靠性硬件设计2.1选用抗SEU 器件是根本办法衡量器件抗SEU 能力是用该器件的翻转阈值和翻转截面来描述的。
由该器件的翻转截面对线性能力传递(LET )值的曲线可以推算出卫星轨道的SEU 翻转率,用次/天·位表示。
整机设计时选用SEU 率低的器件非常重要,如果SEU 率非常高,其它的措施都将不起作用。
2.2整体屏蔽减少辐射效应整体屏蔽办法就是在卫星电子设备外面包覆一层具有一定厚度的屏蔽材料,通常采用的材料有铝、铅、钽和某些酯类化合物等,此法可以有效地缓解卫星电子设备所承受的空间辐射压力,减少空间辐射环境对电子设备造成影响。
卫星光通信系统中单粒子翻转计算方法研究

Ke r s s tl t p ia o y wo d : ael e o t lc mmu i ain; i h e eg a i ls sn l v n p e ; n ird ain i c n c to h g n r p r ce ;i ge e e tu s t a t a it y t — o
H U R iZ A h n —og L ogjn WU J— , U J ,HA hn —a O u ,H O S aghn ,I n - , i iX i Z N S egbo Y u l e
( e cm u i t nE g er gIstt,i FreE g er gU i r t, i n7 0 7 ,hn ) T l o m n a o ni ei ntue Ar o n i e n n esyX 10 7 C i e ci n n i c n i v i a a
A src: i nry atl id cds g vn ust S U s n fh otm o atat f cn e a btatHg e e rce nue i l eet pe ( E )i oeo t m s ipr n f o af t g h — h gp i ne e t c r e i t l s
s r a el e c mmu iain s se I h s a c a im a d man r s a c t o sae gv n o t T e O e tl t o s i n c t y tm. t p y i l o s c me h n s n i e e rh meh d r ie u . h ME . RE 3 4
子翻 转的物理 机制及 主要 研 究方法 。利用 O R . ME E34软件对 星载 C O 14器 件进 行 了单 M S2 6 粒子翻 转率 计算 , 结果表 明 , 通过 对轨道 倾角 和轨道 高度 的优 化设计 可 以有 效减小 卫星光 通信 系统 中电子器件 的单 粒子 翻转率 。为 了有效 克服单 粒 子辐 射 效 应 , 了简单 的增 加 屏 蔽层 厚 除
一种单粒子翻转机制及其解决方法

第10卷 第3期信息与电子工程Vo1.10,No.3 2012年6月INFORMATION AND ELECTRONIC ENGINEERING Jun.,2012文章编号:1672-2892(2012)03-0355-04一种单粒子翻转机制及其解决方法王 亮,岳素格,孙永姝(北京微电子技术研究所抗辐射加固工程中心,北京 100076)摘 要:针对某款超深亚微米专用集成电路(ASIC)出现的异常单粒子翻转现象,分析了导致异常翻转的机制,针对这种机制提出了2种解决方法,并给出了2种解决方法的适用范围。
重离子试验结果表明,采用新方法实现的时序逻辑具备更高的翻转阈值和更低的翻转截面,基于新方法研制的ASIC产品的抗单粒子翻转能力得到显著提高。
关键词:单粒子翻转;单粒子瞬态;时序单元电路;抗辐射加固;超深亚微米集成电路中图分类号:TN305.94 文献标识码:AA kind of mechanism of Single Event Upset and its mitigationWANG Liang,YUE Su-ge,SUN Yong-shu(Radiation Hardening Engineering Center,Beijing Microelectronics Technology Institute,Beijing 100076,China)Abstract:A kind of mechanism of Single Event Upset(SEU) for Application Specific Integrated Circuit (ASIC) was analyzed and two mitigation methods were proposed and verified by heavy ion irradiation test.The application ranges of these two methods were given. The ability of the hardened ASIC against SEU wasimproved greatly.Key words: Single Event Upset;single event transient;sequential element;radiation hardening;very deep submicron CMOS为满足对集成度和低功耗不断增长的需求,集成器件的尺寸和工作电压逐步降低,它们对单粒子翻转(SEU)的敏感性明显增强[1–2]。
面向航空环境的多时钟单粒子翻转故障注入方法

面向航空环境的多时钟单粒子翻转故障注入方法薛茜男;李振;姜承翔;王鹏;田毅【摘要】随着新型电子器件越来越多地被机载航电设备所采用,单粒子翻转(Single Event Upset, SEU)故障已经成为影响航空飞行安全的重大隐患。
首先,针对由于单粒子翻转故障的随机性,该文对不同时刻发生的单粒子翻转故障引入了多时钟控制,构建了SEU故障注入测试系统。
然后模拟真实情况下单粒子效应引发的多时间点故障,研究了单粒子效应对基于FPGA构成的时序电路的影响,并在线统计了被测模块的失效数据和失效率。
实验结果表明,对于基于FPGA构建容错电路,采用多时钟沿三模冗余(Triple Modular Redundancy, TMR)加固技术可比传统TMR技术提高约1.86倍的抗SEU性能;该多时钟SEU故障注入测试系统可以快速、准确、低成本地实现单粒子翻转故障测试,从而验证了SEU加固技术的有效性。
%With the new electronic devices are increasingly used by airborne avionics equipment, Single Event Upset (SEU) fault has become a major hazard on aviation safety. Because of the randomness of SEU fault, the SEU fault occurs at any moments. Firstly, a multi-clock control is introduced to construct an SEU fault injection testing system. Secondly, the system simulates multi-time point of failure with real situations caused by single event upset effects. For sequential circuits constructed by SRAM-based FPGA, the influence of SEU is studied by the system and the failure data and failure rate of the undertest module is counted online. Two kinds of FPGA-based fault-tolerant circuit are tested by this system. Comparing with the traditional Triple Modular Redundancy (TMR) technology, the anti-SEU performance of the proposed multi-clock edge TMRreinforcement technology is improved about 1.86-fold. The experiment results verify that the proposed multi-clock SEU fault injection testing system is a quick, low-cost and highly accurate test for the single-event upsets fault, and demonstrate the effectiveness of the proposed SEU reinforcement technology.【期刊名称】《电子与信息学报》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】5页(P1504-1508)【关键词】机载电子器件;单粒子翻转(SEU);故障注入;抗辐射加固技术;FPGA【作者】薛茜男;李振;姜承翔;王鹏;田毅【作者单位】中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室天津300300;中国民航大学安全科学与工程学院天津 300300;中国民航大学安全科学与工程学院天津 300300;中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室天津 300300;中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室天津300300【正文语种】中文【中图分类】TN07;V524.3当高能粒子或离子影响到PN结的耗尽层时[1],电荷在这个区域被收集,产生瞬态的电流和电压,最终导致了记忆单元状态的变化,使得电子器件产生故障,称为单粒子效应。
低轨互联网卫星在轨单粒子翻转分析及防护措施

低轨互联网卫星在轨单粒子翻转分析及防护措施尚 琳1,2,刘晓娜1,2,曹彩霞1,2,李国通1,2,朱 野1,2(1. 上海微小卫星工程中心; 2. 中国科学院 微小卫星创新研究院:上海 201203)摘要:空间单粒子翻转(SEU )对于在轨卫星寿命和可靠性有着较大的影响,然而,针对低轨互联网卫星1000~1200 km 的典型极地轨道空间SEU ,目前缺少在轨试验验证结果。
文章对某型号的两颗卫星在轨7个月以来的SEU 事件记录数据进行处理和分析,给出互联网卫星1050~1425 km 不同轨道高度上的SEU 事件发生的频度、区域及概率,结合在轨运行情况提出互联网卫星在轨单粒子翻转的软硬件防护设计措施。
数据表明,在当前低轨互联网卫星的典型轨道高度上,对于抗单粒子翻转阈值为0.7 MeV·cm 2/mg 的低阈值SRAM 器件,在轨SEU 事件大部分发生在SAA 区域,发生概率约为7.63×10-7 bit -1·d -1。
结合卫星在轨空间防护设计经验,通过加强元器件选用控制、软硬件冗余设计、关键器件限流等措施,可以有效提高低轨互联网卫星的在轨可靠性。
关键词:单粒子翻转;低轨互联网卫星;在轨防护;冗余设计 中图分类号:V474.2; V520.6文献标志码:A 文章编号:1673-1379(2021)05-0503-05DOI: 10.12126/see.2021.05.002Analysis of in-orbit single event upset of low-Earth-orbitinternet satellite and protection measuresSHANG Lin 1,2, LIU Xiaona 1,2, CAO Caixia 1,2, LI Guotong 1,2, ZHU Ye 1,2(1. Shanghai Engineering Center for Microsatellites;2. Innovation Academy for Microsatellites, Chinses Academy of Sciences: Shanghai 201203, China)Abstract: The single event upset (SEU) of low-Earth-orbit (LEO) satellites has a great impact on the lifetime and the reliability of the in-orbit satellites. But the in-orbit verification results are few for the SEU of the internet satellite at a typical polar orbit altitude in the range of 1000 km to 1200 km. This paper analyzes and processes the SEU record data of the two satellites in-orbit for seven months, and gives the frequency, the area and the orbital heights of SEUs at different orbital altitudes from 1050 km to 1425 km for the internet satellites. Itis shown that the probability of the in-orbit SEU for the onboard SRAM is about 7.63×10-7 bit -1·d -1, and most in-orbit single event upsets occur in the South Atlantic Anomaly (SAA) area. And it is shown that the reliability of the LEO internet in-orbit satellites can be effectively improved by strengthening the control of the component selection, the software and hardware redundancy design and the current limiting of the key components.Keywords: single event upset; LEO internet satellite; in-orbit protection; redundancy design收稿日期:2020-11-30;修回日期:2021-08-10基金项目:上海市科委科技创新行动计划项目(编号:17DZ1100700)引用格式:尚琳, 刘晓娜, 曹彩霞, 等. 低轨互联网卫星在轨单粒子翻转分析及防护措施[J]. 航天器环境工程, 2021, 38(5):503-507SHANG L, LIU X N, CAO C X, et al. Analysis of in-orbit single event upset of low-Earth-orbit internet satellite and protection measures[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2021, 38(5): 503-507第 38 卷第 5 期航 天 器 环 境 工 程Vol. 38, No. 52021 年 10 月SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 503E-mail: ***************Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544. All Rights Reserved.0 引言近年来,随着卫星技术、电子技术和新材料技术的迅猛发展,国内外纷纷提出包含几千至数万颗低轨卫星的互联网星座建设计划,如美国的StarLink、OneWeb和我国的“虹云”“鸿雁”等卫星星座系统。
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镀 金 技 术 已 经 在 太 空 科 技 中 使 用 了超 过 30年
首 先 ,黄 金 是惰 性金 属 ,化 学 性 质也 很 稳 定 ,几 乎不 会 被 氧化 , 这 意 味 着 镀 了 金 的 镜 面 不 会 失 去 光 泽 另外 ,黄 金具 有 良好 导 电性 与导热性,它能高效地反射光波 , 减 少冷 热不 均 的 发生 ..镜面 温 差 引 起 的 变 形 会 严 重 损 害 望 远 镜 成 像 质量 。宇宙中温差极大的环境 以及 光 照 更 是 对 材 料 和 设 计 有 很 高 的 要 求 .再次 ,黄 金对 于 红 外 波段 有 着极高的反射率 .增强镜面的红外 线 反射 能 力 ,有 助 于探 测 遥 远 的 天 体 。红 外 波段 恰 好 是詹 姆 斯 ·韦伯 空 间望 远 镜 的主 要 观察 波 段 (工作 波长 为 0 6到 28 5微 米,即 可见 光金 色 段 到 中红 外 波段 ),因 此对 这 台望远 镜镜面 进行 镀金 自然 更 加 有意 义 。
燃料并使 入轨顺利 j两种发射都需要火箭对应装置的规格化 、集成化,便于卫星与火
箭 的便 捷 结 合
卫 星 的 “单 粒 子 翻 转 ’’是 什 么意 思 ?
单粒子翻转是由于宇宙空间存在大量高能量的粒 子辐射 ,由单个高能粒 子进入半 导体 器件灵敏 区 (例如微处理器、半导体存储器 或功率 晶体管 中 )中引起反应 ,导致 存储单元发生位翻转 (即内容 由 0变为 1,或 由 1变为 0),由此 引起 的仪器错误 j 这种 0和 1的逻辑状态变化是由位于 “逻辑单元” {例如 “bit” )附近的重要节 点内 或 附 近 电 离产 生 自由 电荷 的结 果 。
30年前发射 的风 云一号 A星 (FY一1A)遭遇 强烈的太 阳活动 ,卫星发 生 “单粒 子翻 转”事件 ,最 后导 致姿态失控 ,仅工作 了 39天后就发 生故 障并最 终停止工作一 这种 名为 “单粒子翻转 ” (Single Event Upset,简称 S
(本栏目稿件由中科院空间中心 王铮提供 )
责 任编 辑 :陈彩 连
sPACE E×PL0 RATj0N 69
同的轨道 ,当火箭抵达预定轨道后 ,所有的卫 星一起释放出去,通常让卫星分离速度 、
方 向各 不 相 同 ,保证 分 离 的安 全 性 ;另 一 类则 是 把 多 颗 卫星 分 别 送 入 不 同参 数 的 轨道 ,
通常需要 专门的分配器 ,还需选择最佳 的飞行路线及确定最佳分离lt1,- ̄4,尽可能节约
空 问望远镜镜而为什 么要 镀 金 ?
“ 一
箭 多 星” 的小 卫 星 怎 么入 轨 ?
与 大 卫 星 不 同 ,小 卫 星 只 需 要 实 现
一 些 小 仪 器 就 能 完 成 的 功 能 , 目标 是 低
成 本 、 高 效 率 、一 枚 火 箭 发 射 仅 仅 几 千
克 的 小 小 一 颗 卫 星 非 常 奢 侈 , 而 “一 箭
多 星 ” 可 以 充 分 利 用 运 载 火 箭 的 运 载 能
力 余 量 ,经 济 便 捷 地 将 卫 星 送 入 地 球 轨
道 ,为卫 星 发 射服 务 提 供 多 种选 择 模 式 ,
对 小 卫 星 的 发展 而 言 尤 其重 要 。
“
一
箭多星”的小卫星按入轨模式可分 为两大类 :一类是把一批卫星送入基本相
高能粒子进入半导体灵敏区可能 引起 多种单粒子效应 ,而单粒子翻转是空间辐射 造 成 的 多 种 单粒 子效 应 中最 常见 和 最 典 型 的 一 种 ,甚 至成 为星 载 计 算 机 中最 常 见 的错 误 单粒子翻 转主要发生在数据存储或指令相关器件 中 、单粒子翻转造成的器件错误 属 “软锚 误” ,即通过系统复位 、重新加 电或重新写入能够恢复到正 常状态。
【太空问答 】I太空探索
什 么是 “卫 星平 台” ?
发 射 卫 星 时常 听 说 卫星 使 用 了 某 某 平 台 、之 所 以采 用 “卫 星 平 台 ” (platform ) 的设 计 方 法 , 目的是 缩 短 卫星 研 制 周 期 ,节 省 研 制 经 费 ,提 高 卫 星可 靠 性 。
对于大部分卫星来说 ,不论安装什么有效载荷 .都有一些一致 的基本功能 ,只是 具体 的技 术 性能 会 有 所 差 别 。 根据 这 一 特 点 。世 界 上 许 多 国 家 在卫 星设 计 研 制 中都 采 取 这种 类似 卡 车 底 盘 的 “卫 星 公 用平 台 ”思 路 ,设 计 具 有 通 用 性 的载 荷 平 台 ,接 13和 供 能 等 参数 能 够 在 一 定 范 围 内 适应 不 同 有效 载 荷 的要 求 、当需 要 装 载 不 同 的有 效 载 荷 时 。卫星平台只需要做少量适应性修改