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星载高速数据处理技术研究

作　者: 马寅
导　师: 安军社
学　校: 中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）
专　业: 计算机应用技术
关键词: 空间环境 单粒子效应(SEU) 三模冗余(TMR) 刷新(Scrubbing) 回读 FPGA容错
分类号: V446.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 58次
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内容摘要


在我国航天过去十多年的发展中,FPGA因其功能配置时的多样性与重复性,海量数据处理时的灵活性与高效性,被广泛的应用到航天器电子系统中,承担空间环境下的数字信号处理、图像处理等任务。这其中Xilinx公司的SRAM型Virtex各系列FPGA在性能和容量上更具优势,且可根据不同的功能要求进行重配置。然而,SRAM工艺的FPGA受空间辐射影响较大。内部配置存储器的逻辑状态常常由于高能粒子的撞击而翻转(单粒子翻转),可能导致航天器信息的丢失或者功能中断。由于空间环境的特殊性,可靠性成为航天器的重要指标,容错设计在航天器电子系统中必不可少。本文的研究课题来源于某863计划项目,以Xilinx公司Virtex-II系列FPGA为载体,针对其配置、刷新(Scrubbing)、回读三大技术的原理与流程进行了深入研究。使用反熔丝的FPGA实现Virtex-II的配置和容错操作,并综合使用Actel公司和Xilinx公司的三模冗余方法,设计出两大容错方案:基于周期刷新的开环容错方案;基于回读比较后刷新的闭环容错方案。本文中FPGA采用SelectMAP配置方式,容错设计的实现也基于SelectMAP接口。对设计稍加修改,可以方便的将本容错方案移植到各航天器电子系统中,完成对Virtex-II系列FPGA的容错设计。同时,本文也对本容错设计的资源占用及刷新率、回读率等关键参数进行了讨论,简要探讨了SRAM型FPGA容错效果的评测方法。本课题的研究成果已经实际应用于两个863计划项目及一个国家重大科技专项,作为其SRAM型FPGA的容错方案,结合未来对该方案容错效果的评测,可为我国航天器电子系统高可靠性设计提供参考。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-12
第1章 绪论  12-20
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 空间辐射环境对航天器的影响  13-14
  1.3 国内外研究现状  14-18
  1.4 论文章节安排  18-20
第二章 SRAM 型FPGA 容错关键技术  20-38
  2.1 FPGA 的分类  20-21
  2.2 SRAM 型FPGA 配置原理  21-28
    2.2.1 SRAM 型FPGA 配置模式  21-22
    2.2.2 SelectMAP 配置接口时序  22-24
    2.2.3 SRAM 型FPGA 配置位流格式  24-28
  2.3 SEU 对Xilinx 公司FPGA 的特别效应  28-29
  2.4 Scrubbing 原理  29-31
  2.5 回读原理  31-34
  2.6 X-TMR 原理  34-36
  2.7 A-TMR 原理  36-38
第三章 容错设计方案  38-60
  3.1 容错方案介绍及选择  38-41
  3.2 FPGA 介绍及选型  41-49
    3.2.1 被容错的目标FPGA  41-44
    3.2.2 外部配置容错管理芯片  44-48
    3.2.3 外部配置存储芯片  48-49
  3.3 硬件系统设计  49-60
    3.3.1 硬件系统  49-53
    3.3.2 开环容错方案  53-56
    3.3.3 闭环容错方案  56-58
    3.3.4 三模冗余方案  58-60
第四章 具体代码设计  60-78
  4.1 编程语言  60
  4.2 代码模块划分及实现要点  60-78
    4.2.1 外部数据同步模块  60-62
    4.2.2 时钟分频模块  62-63
    4.2.3 上电配置模块  63-66
    4.2.4 周期刷新模块  66-69
    4.2.5 回读比较模块  69-75
    4.2.6 三模冗余设计  75-78
第五章 调试总结与性能参数  78-90
  5.1 调试时序抓图  78-83
  5.2 资源占用比较  83-85
  5.3 刷新率、回读率与出错率问题  85-86
  5.4 容错效果评测方法初探  86-87
    5.4.1 采用JBits SDK  86
    5.4.2 采用VHDL  86-87
    5.4.3 外部辐射  87
  5.5 应用实例简介  87-90
第六章 总结与展望  90-92
  6.1 总结  90
  6.2 未来展望  90-92
参考文献  92-95
硕士期间工作成果  95-96
致谢  96-97

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 航天仪表、航天器设备、航天器制导与控制 > 计算装置 > 数据处理与回收装置
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