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[導(dǎo)讀]本文在對(duì)太空輻射環(huán)境分析的基礎(chǔ)上,研究了商用現(xiàn)貨(COTS)技術(shù)下空間信息處理系統(tǒng)的抗輻射設(shè)計(jì),提出并實(shí)現(xiàn)了基于單粒子閉鎖(SEL)輻射效應(yīng)的解決方案。

摘要 本文在對(duì)太空輻射環(huán)境分析的基礎(chǔ)上,研究了商用現(xiàn)貨(COTS)技術(shù)下空間信息處理系統(tǒng)的抗輻射設(shè)計(jì),提出并實(shí)現(xiàn)了基于單粒子閉鎖(SEL)輻射效應(yīng)的解決方案。這種方法可類似地移植應(yīng)用于航空以及車栽領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞 空間信息處理系統(tǒng) 太空輻射環(huán)境COTS SEL雙機(jī)系統(tǒng)

引 言
    空間信息處理系統(tǒng)作為小衛(wèi)星上的核心部件,它主要用于衛(wèi)星控制、星務(wù)管理、數(shù)據(jù)處理等,空間信息處理系統(tǒng)工作在一個(gè)相對(duì)地面更加惡劣的環(huán)境中,給研究人員提出了更高的要求。

    一個(gè)自然的辦法是進(jìn)行屏蔽和加固,相關(guān)數(shù)據(jù)表明:鋁板越厚,輻射作用越小,且宇航級(jí)加固的CMOS器件抗輻射能力大大強(qiáng)于常規(guī)CMOS。目前宇航級(jí)抗輻射加固的微處理器以及其他計(jì)算機(jī)器件落后最先進(jìn)的商用產(chǎn)品數(shù)年,如圖1所示。

    COTS(Commercial Off-The-Shelf)技術(shù)的引入,即用商用器件代替宇航級(jí)的抗輻射加固器件,是當(dāng)前設(shè)計(jì)空間信息處理系統(tǒng)的一個(gè)趨勢(shì)。如何保證系統(tǒng)的可靠性,如何在采用更廉價(jià)的商用器件,充分利用其運(yùn)算速度快、軟什編程平臺(tái)完善、應(yīng)用軟件多、系統(tǒng)組成靈活等特點(diǎn)的同時(shí),對(duì)商用現(xiàn)貨器件采取措施使之對(duì)空間環(huán)境具有抗輻射的功能,是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。

1 空間輻射環(huán)境及效應(yīng)分析
1.1 空間輻射效應(yīng)
   
太空輻射環(huán)境對(duì)電子設(shè)備的效應(yīng)主要分為兩類。
    ①輻射總劑量TID(Total Ionizing Dbse):描述的是電子器件在輻射環(huán)境下的一組特性,指器件在發(fā)生重大改變(永久故障)前所能承受的總吸收能量級(jí)。它的單位為Rad,即存積在一克硅中的能量。
    ②單粒子效應(yīng)SEE(Single-Event Effect):指單個(gè)高能粒子撞擊引起的電子器件狀態(tài)的瞬時(shí)擾動(dòng),或是永久性的損傷。太空中的高能粒子包括重粒子、質(zhì)子、α粒子、中子等。單粒子效應(yīng)又分為兩類。
    ◆單粒子翻轉(zhuǎn)SEU(Single-Event Upset):引起電路中的觸發(fā)器和存儲(chǔ)單元的翻轉(zhuǎn),出現(xiàn)了邏輯錯(cuò)誤、存儲(chǔ)器錯(cuò)誤或丟失同步信號(hào)等。SEU常被視為軟錯(cuò)誤(softerror)。
    ◆單粒子閉鎖SEL(Single-Evcnt Latchup):輻射環(huán)境下造成的門擊、燒毀或閉鎖(1atch up),表現(xiàn)為CMOS電路短路、閉鎖熱應(yīng)力過載等。SEL常被視為硬錯(cuò)誤(harderror)。

1.2 對(duì)策研究綜述
   
由于小衛(wèi)星的空間位置和使用年限不同,而空間信息處理系統(tǒng)的輻射總劑量和單粒子效應(yīng)隨不同太空環(huán)境(軌道高度、傾角)和不同任務(wù)時(shí)間差別很大(輻射環(huán)境參數(shù)甚至?xí)袔讉€(gè)數(shù)量級(jí)的變化),所以,其抗輻射的程度和措施也不盡相同。

    目前,完全在硬件上屏蔽和避免輻射是很難實(shí)現(xiàn)且沒有必要的。而在COTS技術(shù)的應(yīng)用中,在采取適當(dāng)?shù)钠帘魏图庸檀胧┖?,仍無法完全達(dá)到系統(tǒng)抗輻避錯(cuò)的情況下,容許系統(tǒng)出現(xiàn)輻射效應(yīng);但通過冗余(如烈機(jī)系統(tǒng))和容錯(cuò)計(jì)算使系統(tǒng)正常進(jìn)行工作,并設(shè)計(jì)使用一些應(yīng)對(duì)輻射效應(yīng)的保護(hù)電路,就成為了解決問題的辦法。

    CMOS技術(shù)不斷發(fā)展,目前典型的CMOS技術(shù)下設(shè)備在物理損壞前能夠承受的TID大約為5 KRad;而根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局(NAsA)提供的輻射模型分析顯示,其具有代表意義的小衛(wèi)星ION-F的計(jì)算機(jī)應(yīng)用信息處理模塊C&DH(Command and Data Handling)子系統(tǒng)的TID為25 Rad。由此可以得出結(jié)論:僅就小衛(wèi)星中的空間信息處理系統(tǒng)而言,在典型的任務(wù)周期和環(huán)境下,TID的影響可以忽略。我國(guó)的“實(shí)踐五號(hào)”衛(wèi)星分析也得出了類似的結(jié)論??紤]到小衛(wèi)星任務(wù)年限和環(huán)境的多變性,一般性的加固和適當(dāng)厚度的鋁屏蔽應(yīng)該足以滿足擾TID的要求。

    隨著技術(shù)的發(fā)展。伴隨著器件電壓的降低和位密度的增加,SEE的發(fā)牛頻率呈上升趨勢(shì),而屏蔽對(duì)高能粒子的作用也是十分有限的。因此,相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi),SEE相對(duì)而言是設(shè)計(jì)中更值得注意且潛伏危險(xiǎn)性更高的問題。SEU對(duì)存儲(chǔ)器件影響最大,COTS技術(shù)下處理器內(nèi)部可利用冗余技術(shù)(如雙機(jī)系統(tǒng))并采用合適的體系結(jié)構(gòu)組織,存儲(chǔ)器用ECC或其他校驗(yàn)碼檢測(cè)及自行校正錯(cuò)誤,另外還可以使用看門狗(watch dog)技術(shù)。

    屏蔽和加固技術(shù)不在本文的研究范圍內(nèi);比較成熟的雙機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、校驗(yàn)碼和看門狗技術(shù)則解決了SEU輻射效應(yīng)的問題。


2 SEL解決方案設(shè)計(jì)
    SEL是體效應(yīng)技術(shù)CMOS(Bulk CMOS technologies)(非絕緣硅)的寄生雙極晶體管被局部沉積的電荷所觸發(fā)而引起在電源供給和接地之間的一種短路。CMOS的加工工藝在正常的操作情況下防止了這種情況的出現(xiàn)。但是在宇宙中,由穿越高能粒子引起的局部電荷沉積仍可能觸發(fā)這種效應(yīng)。SEL可能局限在一個(gè)很小的本地區(qū)域內(nèi).也可能傳播影響至芯片的大部分。如果不采取保護(hù)措施,則由短路引起的大電流就可能使器件造成永久損壞。

2.1 SEL解決關(guān)鍵

    與SEU相比,SEL是純粹的硬錯(cuò)誤。如前文所述,SEL將引起器件中產(chǎn)生大電流。這個(gè)電流甚至可能會(huì)比器件典型的操作電流大幾個(gè)量級(jí),并在其內(nèi)部產(chǎn)生相當(dāng)高的溫度。如果不及時(shí)補(bǔ)救.那么將造成器件永久性的損害。因此,雖然SEL發(fā)生的次數(shù)很少,但是卻是設(shè)計(jì)中最有挑戰(zhàn)性的問題。
    目前,COTS下消除SEL的可行辦法只能是在大電流發(fā)生后重啟電源,因此設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就在于系統(tǒng)中有:
    ◇能夠監(jiān)測(cè)大電流的過流監(jiān)視器裝置;
    ◇自動(dòng)斷電和恢復(fù)的開關(guān)電路(即重啟電源)。

2.2 SEL保護(hù)電路原理

    過流監(jiān)視器采用Maxim公司的芯片MAX4373/4374/4375系列。它是一種低成本、微功耗的高端電流檢測(cè)放大器+比較器+電壓基準(zhǔn)IC。
    重啟電源的開關(guān)可由P溝道增強(qiáng)型MOS管(P-channel MOSFET)來構(gòu)造。選擇Vishay公司的Si4465DY,高質(zhì)量的MOSFET自身對(duì)輻射環(huán)境就有很好的免疫能力。
    SEL的保護(hù)電路原理圖如圖2所示。

    如圖2所示,Vin是負(fù)載電路的電源,同時(shí)也是MAX4373的電源。上電后,經(jīng)電流檢測(cè)電阻Rsense后向負(fù)載Load供電。負(fù)載電流Iload經(jīng)Rsense,在其兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓降Vsense。它作為電流檢測(cè)信號(hào)輸入MAX4373中的電流檢測(cè)放大器,其固定增益為Av,則放大后的電壓信號(hào)由0UT端輸出,Uout=Vsense×Av。R1、R2組成電壓分壓器,它將Vout經(jīng)分壓后輸入內(nèi)部的電壓比較器同相端CINl,與反相端(接內(nèi)部O.6 V基準(zhǔn)電壓)相比較。若流入負(fù)載電路的電流未超過設(shè)定的閾值電流,則電流檢測(cè)放大器輸出的電壓Vout經(jīng)R1、R2分壓后Voutin小于0.6V,內(nèi)部電壓比較器輸出低電平(從COUTl),P溝道MOSFET導(dǎo)通,即負(fù)載的供電電路連通;若流入負(fù)載電路的電流超過了設(shè)定的閾值電流,則由Rsense檢測(cè)的電壓經(jīng)電流檢測(cè)放大器放大后,使輸出電壓Vout經(jīng)R1、R2分壓后Voutin大于0.6 V,內(nèi)部電壓比較器翻轉(zhuǎn),COUTl輸出高電平,使P淘道MOSFET截止,于是負(fù)載的供電電路被切斷。內(nèi)部電壓比較器為輸出鎖存型,一旦翻轉(zhuǎn),則輸出高電平鎖存,電路斷開狀態(tài)保持,即負(fù)載保持?jǐn)嚯姟4箅娏飨Ш?,按一下?fù)位按鈕(>2μs),內(nèi)部電壓比較器復(fù)位,COUTl輸出低電平,MOSFET導(dǎo)通,負(fù)載加電重新工作。圖2中的R3即為COUTl輸出上拉電阻,同時(shí)也提供了P淘道MOSFET的VGS電壓.抑制流經(jīng)MOSFET的電流。

2.3 在雙機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)
   
根據(jù)以上原理,考慮SEL保護(hù)電路在雙機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用,給出空間信息處理系統(tǒng)SEL解決方案,如圖3所示。

    圖3中CPUO板和CPUl板是冗余雙機(jī),接口板負(fù)責(zé)雙機(jī)中主機(jī)和備機(jī)的通信與切換??梢钥吹?,SEL解決措施分為3個(gè)步驟(電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)不在本文論述范圍內(nèi)):
    ①SEL保護(hù)電路對(duì)系統(tǒng)中各需要監(jiān)測(cè)的器件進(jìn)行SEL監(jiān)測(cè);
    ②當(dāng)監(jiān)測(cè)出過流時(shí),即發(fā)生了SEL,保護(hù)電路迅速實(shí)現(xiàn)對(duì)局部器件的斷電保護(hù);
    ③SEL保護(hù)電路同時(shí)給出信號(hào),控制電源板對(duì)本板供電部分的斷電和重啟。


3 在雙機(jī)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)
   
應(yīng)用上述SEL解決方案設(shè)計(jì),在某航天器雙機(jī)系統(tǒng)的原型結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了該方案。這里給出的應(yīng)用是雙機(jī)溫備系統(tǒng).同理可適用于雙機(jī)冷備或者熱備系統(tǒng)中。顯然:
    ◆當(dāng)CPU板中有器件發(fā)牛SEL時(shí),單純斷電該器件是不夠的,因?yàn)檎麄€(gè)CPU板此時(shí)缺少此器件,很可能已不能正常工作了,因此還需將整個(gè)CPU板斷電并重啟。CPU板重啟時(shí)速度慢,所蹦此時(shí)必須由另一塊CPU板接管作為主機(jī),這就涉及了雙機(jī)切換的問題。
    ◆在接口板中有器件發(fā)生SEL時(shí),同理單純斷電該器件是不夠的,必須斷電并重啟接口板。接口板沒有冗余,但接口板的重啟速度快,所以僅需要將整個(gè)接口板斷電再重啟。
    ◆電源系統(tǒng)必須能夠提供關(guān)斷的電源管理功能,這也給電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了要求。

3.1 CPU上的SEL方案實(shí)現(xiàn)

    實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    每塊CPU板上每一個(gè)需要監(jiān)測(cè)的器件供電引腳和供電電壓之間,都加上如圖4所示的由MAX4373和Si4465DY構(gòu)成的SEL保護(hù)宅路;CPU板上不同器件的供電電壓有4種不同的電壓值(5V,3.3V,1.8V,1.5V)。這里的SEL保護(hù)電路其實(shí)就是對(duì)2.2小節(jié)中SEL保護(hù)電路原理的改進(jìn),即監(jiān)測(cè)芯片MAX4373和要監(jiān)測(cè)的器件使用的是不同的電源。當(dāng)器件發(fā)生SEL大電流時(shí),COUTl為高,且MAX4373工作保持鎖存該高電平,于是一方面迅速切斷該器件的供電電路以避免損壞,另一方面通過“或”門控制該CPU電源??梢钥吹?,“或”門使得CPU板上任何被監(jiān)測(cè)的器件發(fā)生SEL時(shí),CPU電源舶Ctrl為高,其上的Si4465DY同樣實(shí)現(xiàn)了開關(guān)功能,則CPU電源上MOSFET斷,電源的ON/OFF為低使得整個(gè)該CPU板的供電斷掉,此時(shí)便解決了此次的SEL問題。其后接口板上的Wacch dog能感知到該CPU發(fā)生故障,并控制雙機(jī)邏輯切換到另一臺(tái)CPU使之作為主機(jī),即實(shí)現(xiàn)雙機(jī)切換??梢钥吹?,當(dāng)故障CPU斷電后,Ctrl變低,則該CPU電源上MOSFET導(dǎo)通,ON/OFF為高使得整個(gè)CPU的供電恢復(fù),該CPU重新通電加載作為備機(jī),從而實(shí)現(xiàn)溫備。

3.2 接口板上的抗SEL方案
   
實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    接口板中每一個(gè)需要監(jiān)測(cè)的器件供電引腳和供電電壓之間,都加上如圖5所示的由MAX4373和Si4465DY構(gòu)成的SEL保護(hù)電路;接口板上不同器件的供電電壓有3種不同的電壓值(5V,3.3V,1.5V)。這里的SEL保護(hù)電路其實(shí)就足對(duì)2.2小節(jié)中SEL保護(hù)電路原理的改進(jìn),即監(jiān)測(cè)芯片MAX4373和要監(jiān)測(cè)的器件使用的是不列的電源。當(dāng)器件發(fā)生SEL大電流時(shí),COUTl為高,且MAX4373工作保持鎖存該高電平,于是一方而迅速切斷該器件的供電電路以避免損壞,另一方面通過“或”門去控制接口板電源。

    可以看到,“或”門使得接口板上任何被監(jiān)測(cè)的器件發(fā)生SEL時(shí),接口板電源的Ctrl為高,其上的Si4465DY同樣實(shí)現(xiàn)了開關(guān)功能,則接口板電源上MOSFET斷開,ON/OFF為低使得整個(gè)接口板的供電斷掉,此時(shí)便解決了此次的SEL問題。當(dāng)接口板斷電后,Ctrl變低,則該接口板電源上MOSFET導(dǎo)通,ON/OFF為高使得整個(gè)接口板的供電恢復(fù),接口板迅速重新通電,極短時(shí)間內(nèi)不會(huì)影響到雙機(jī)工作。
3.3 部分PCB原理圖
   
根據(jù)以上設(shè)計(jì)制板實(shí)現(xiàn),部分PCB原理圖如圖6所示。

結(jié)語
   
本文對(duì)太空輻射環(huán)境進(jìn)行了分析,研究了COTS技術(shù)下空間信息處理系統(tǒng)的抗輻射設(shè)計(jì),給出了基于SEL輻射效應(yīng)的解決方案,并在某航天器雙機(jī)系統(tǒng)(溫備)上進(jìn)行了原型實(shí)現(xiàn)。考慮到高能粒子輻射不僅存在于太空,還廣泛存在于核爆環(huán)境下甚至大氣中,因此,該實(shí)現(xiàn)方案也能夠移植應(yīng)用于人為輻射(如敵方核爆)、機(jī)載(航空)和車載等領(lǐng)域。

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