一种基于Flash型FPGA的高可靠系统设计

摘要:本文以星载测控系统为背景，提出了一种基于 ActelFlashFPGA的高可靠设计方案。采用不易发生单粒子翻转的 flashFPGA芯片，结合FPGA内部的改进型三模冗余、分区设计和降级重构，实现了高实时、高可靠的系统。

2 引言

在复杂的空间环境中存在各种高能粒子和宇宙射线，星载系统的电子器件容易发生单粒子翻转等错误，造成整个系统的崩溃。对于星载系统而言，可靠性是非常重要的一项性能指标。在系统研制时，必须保证系统在局部出现故障时屏蔽和容忍错误，把错误造成的损失降到昀低。比较常用的可靠性措施包括选用抗扰等级高的元器件和适当的屏蔽设计等，但是这些措施都无法绝对预防永久性故障的发生，为了满足卫星可靠性的要求必须进行冗余设计。

本文中的设计就采用Flash型 FPGA取代了 SRAM型 FPGA，前者在结构上的特点决定了它不容易发生单粒子翻转等错误，从而在固件上提高了可靠性。同时采用了改进型的 TMR冗余设计，在保障可靠性的同时也兼顾了实时性。

3 基本思想和系统实现

3.1Flash型 FPGA概述目前广泛用于电子产品的 FPGA（Field－Programmable Gate Array,现场可编程门阵列）主要有反熔丝型、SRAM型和 Flash型三种。反熔丝型 FPGA利用熔丝点的通断来存储编程信息，只能烧写一次，可靠性很高，但是同时开发成本也很高，一般只在成熟正品中使用。

SRAM型 FPGA使用非常广泛，它的可编程单元是六管结构，编程信息是保存在附加的 PROM里的，每次上电时从 PROM中加载到 FPGA中，断电后编程内容消失。在航天应用中，SRAM型 FPGA昀大的缺点是容易发生单粒子翻转(Single Event Upset, SEU），以及上电加载过程中容易产生错误指令。

Flash型 FPGA的可编程单元是两个三极管组成的 flash开关，其中一个只在编程时起传感器作用，另一个控制开关的通断，两个管子共享的浮栅门存储了编程信息。 Flash型 FPGA无需附加 PROM，上电时间也很短，另外 flash相比于 SRAM不容易出现单粒子翻转，因此 Flash型 FPGA很适合航天应用。

本文中的遥控系统采用 Actel公司的 ProASIC plus系列的 APA300芯片。

3.2 系统描述

本文主要实现了高可靠遥控系统中将地面和星载计算机发送的串行码字译码成对应通道指令脉冲的功能，全部功能在一块 FPGA中实现。遥控电路板上采用两块相同的 FPGA进行双机热备份，通过 54LVC244选择输出。每块 FPGA内部又采用了下面描述的改进型 TMR设计。该系统完成了遥控译码的功能，各指令响应正常。

本文重点介绍 FPGA片内的改进型 TMR冗余设计。

3.3 改进型 TMR设计

三模冗余（TMR）是一种常用的容错技术，把需要容错的部分复制三份，然后由表决器根据多数表决原则输出结果。TMR属于静态冗余技术，它能够掩盖 1个子系统的错误，而不能修复错误。当 2个或 2个以上的子系统出错，或者表决器出错时，TMR系统将输出错误的结果。TMR技术的优点是简单易行，对于瞬时出现的错误具有良好的容错效果，但是代价是付出了 3倍的面积开销。