Xilinx FPGA抗辐射设计技术研究

FPGA的可编程I／O也容易受到辐射粒子的影响产生SEU和SEL(目前只发现三态脚在发生错误时可以变成输出脚，还没有发现I／O发生方向转换(即输入变成输出或者输出变成输入)。输入输出脚的三倍冗余设计是一种非常有效的方法，尤其是对因为配置存储器发生单粒子效应的情况下，但是这种方法需要占用三倍的I／O资源，所以设计的时候需要慎重考虑。
我们在FPGA内分多个区域，分别采用TMR设计，减小出错概率。
3．3 防止关键电路SET引起的抖动
SET在时钟电路或者其他数据、控制线上容易产生短脉冲抖动，这种抖动有可能会造成电路的误触发或者数据锁存的错误。为了减少这种短脉冲抖动的影响，在设计时可采用如下方法：
(1)内部复位电路尽可能使用同步复位；
(2)控制线尽可能配合使能信号线使用；
(3)组合逻辑数据在锁存时尽可能配合使能信号。
也就是说，尽量在触发逻辑中配合另一个使能条件，这样就可以屏蔽由SET产生的大部分抖动。
3．4 系统监控与重配置(Configuration Scrubbing)
在某些设计寿命不是很长的卫星中，COTS器件的应用已经成为可能，在类似的信号处理或者星务管理平台中，采用一种金字塔形体系结构可以大大提高平台的可靠性，有效地抵抗各种辐射效应引起的可恢复故障。
Actel高可靠性的反熔丝FPGA负责从非易失大容量存储器中读取XilinxFPGA的配置数据对其进行配置，然后在运行期间，对最容易受辐射效应影响的配置存储器按列进行读操作，然后与标准数据进行比对，对出现错误的列进行局部重配置。
另外，也可以通过对回读数据进行CRC校验来检验配置存储器是否出现错误。
对配置存储器的回读校验和重配置(或局部重配置)是一种有效的抵抗辐射效应的方法。

Scrubbing通过部分重置刷新配置存储器，通过连续重置修复SEU，Scrub速度至少十倍于最坏的SEU速度。可以通过两条途径来实现Scru-bbing，第一条途径是回读、比较、修复(closed-loop scrubbing))，第二条途径是连续重置(open-loop scrubbing) 并不是所有的资源都可以被scrubbed的，比如SRL16s、LUT RAM、BRAM、BRAM data就不能被scrubbed，可以使用BRAM多模冗余或EDAC算法。
也并不是所有的资源都需要被scrubbed，大部分routing bits不需要scrubbed。

4 结论
文章结合实际工程实践给出了解决常见的FPGA辐射失效问题的一些方法；对FPGA在电源输入端使用限流电阻，信号处理板采用双机冷备份，对于单粒子翻转和锁定均具有相应对策，如发生单粒子翻转或锁定只对单机的部分功能有影响，都可以通过切机或重新加电消除影响。本文给出的有关大规模可配置电子器件的设计方法可以为航天电子设备的设计提供参考。