基于FPGA的单粒子翻转效应探测系统研究

论文摘要

现场可编程门阵列(FPGA)以其设计周期短、可重复编程、低成本、操作灵活等优点,而广泛应用于当前众多空间电子系统中。然而,随着集成电路进入纳米尺度,由空间辐射而导致FPGA发生单粒子翻转效应(SEU)的风险愈加严重,进而影响FPGA内部存储单元存储信息的有效性,引起电子系统故障。因此,开展FPGA中SEU效应的探测研究具有重要的实际价值。本论文基于FPGA开发板研究并实现了一款SEU探测系统,可用于FPGA电路中触发器单元SEU效应的探测和评估。该探测系统由测试向量生成模块、测试结果分析模块、同步控制模块以及测试结果上传模块四个部分组成。其中,测试向量生成模块可为插入扫描链的待测FPGA电路提供测试向量;测试结果分析模块接收来自待测FPGA单元的响应,并在FPGA探测系统内部进行逻辑判断,判断测试响应是否与期望响应相同,从而判断待测FPGA是否发生了SEU效应,并统计出错的触发器数目;同步控制模块用于实现FPGA探测系统、待测FPGA电路以及SEU故障注入设备三者之间的协议握手。测试结果上传模块统用于计发生SEU的触发器数目,并通过串口RS232将出错的触发器个数上传至上位机。通过上述四个模块的联合作用,从而实现待测FPGA电路中SEU效应的探测。利用本论文所研制的SEU探测系统,重点开展了重离子辐照实验后基于FPGA的ISCAS’89基准电路中SEU效应的探测和评估,实验结果表明,所研制探测系统可准确探测待测电路中触发器单元是否发生SEU效应,且可统计发生SEU的触发器数目,完全适用于目标FPGA电路中SEU效应的实际探测需求。

论文目录

摘要

ABSTRACT

符号对照表

缩略语对照表

第一章绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 研究现状

1.2.1 单粒子翻转效应的研究现状

1.2.2 故障注入方法的研究现状

1.3 研究内容与章节安排

1.3.1 研究内容

1.3.2 章节安排

第二章单粒子翻转效应及其探测系统的基本理论

2.1 单粒子翻转效应介绍

2.1.1 单粒子翻转效应产生机理

2.1.2 单粒子翻转效应对时序电路的影响

2.2 可测性设计技术

2.2.1 基于扫描的设计

2.2.2 内建自测试

2.2.3 边界扫描测试

2.3 故障注入技术

2.3.1 基于模拟的故障注入方法

2.3.2 基于硬件的故障注入方法

2.3.3 基于软件的故障注入方法

2.4 FPGA的单粒子翻转探测方法

2.4.1 单粒子翻转效应对FPGA的影响

2.4.2 单粒子翻转静态测试

2.4.3 单粒子翻转动态测试

2.5 本章小结

第三章待测集成电路扫描链设计

3.1 基于ASIC的扫描链设计

3.1.1 ASIC扫描链设计流程

3.1.2 自动测试向量生成

3.1.3 测试向量仿真验证

3.2 基于FPGA的扫描链设计

3.2.1 FPGA扫描链设计流程

3.2.2 FPGA扫描链电路功能验证

3.3 本章小结

第四章基于FPGA的单粒子翻转效应探测系统研究与实现

4.1 基于FPGA的单粒子翻转效应探测系统顶层模块设计

4.2 测试向量生成模块

4.2.1 测试向量生成模块信号描述

4.2.2 测试向量生成模块设计方案

4.3 测试结果分析模块

4.3.1 测试结果分析模块信号描述

4.3.2 测试结果分析模块设计方案

4.4 同步控制模块

4.4.1 同步控制模块信号描述

4.4.2 同步控制模块设计方案

4.5 测试结果上传模块

4.5.1 测试结果上传模块信号描述

4.5.2 测试结果上传模块设计方案

4.6 本章小结

第五章单粒子翻转效应故障注入实验及结果分析

5.1 单粒子翻转效应实验系统的搭建

5.1.1 基于FPGA的 ISCAS’89 待测电路扫描链设计

5.1.2 单粒子翻转效应故障注入实验设置

5.1.3 单粒子翻转实验系统设计

5.2 实验结果及分析

5.3 本章小结

第六章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 冯博博

导师: 毛维,邵翠萍

关键词: 单粒子翻转效应,扫描链,测试系统

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 西安电子科技大学

分类号: TN791;O572.212

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.001095

总页数: 73

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