激光告警DSP加載系統(tǒng)的可靠性設計*

楊　曉，陳媛媛，2，王志斌，2，韓　楓，陳光威

(1.中北大學 山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心，山西 太原030051；2.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)

激光告警DSP加載系統(tǒng)的可靠性設計*

楊曉1，陳媛媛1，2，王志斌1，2，韓楓1，陳光威1

(1.中北大學 山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心，山西 太原030051；2.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)

基于SRAM的DSP芯片對空間粒子輻射敏感,針對相干型衍射光柵激光告警系統(tǒng)處于空間環(huán)境中時所產(chǎn)生空間粒子效應會影響激光信號的判別甚至使程序無法正常工作的問題，提出在軟硬件方面對元件進行抗單粒子翻轉(zhuǎn)設計。通過看門狗電路、三模冗余程序加固和差錯檢驗校正的方法防止故障出現(xiàn)。該方法提高了系統(tǒng)運行的可靠性，保證程序正確執(zhí)行。

激光告警；上電自舉；三模冗余；差錯檢驗

0　引言

為了對抗激光對于固定軍事目標的威脅，激光對抗技術(shù)的研究已經(jīng)成為一個重要課題。高性能激光告警接收機采用面陣探測器，具有高速峰值檢測和實時判斷的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)高速可靠地探測軍用制導武器所發(fā)出的各種波長的窄脈沖激光的目的。系統(tǒng)高層處理算法處理的數(shù)據(jù)量較低層算法少，算法的控制結(jié)構(gòu)復雜，適于用運算速度高、尋址方式靈活、通信機制強大的DSP來實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)送到DSP后，由于高能帶電粒子造成單粒子翻轉(zhuǎn)會導致程序無法正確運行，存儲數(shù)據(jù)的差錯也會對激光信號的判別造成影響。因此如何克服空間粒子效應的影響成為高性能DSP能否在空間中應用的關(guān)鍵。

1　基于光柵衍射的激光探測原理

激光告警設備是能夠?qū)す馔{信號進行識別、截獲、測量并做出實時告警的光電偵察設備，能夠在地面空間等環(huán)境工作。它以發(fā)射的光的功率、波長、調(diào)制特性和光信號的脈沖寬度、脈沖頻率、及編碼等技術(shù)參數(shù)為依據(jù)來制定相應的光對抗措施[1]。

入射激光經(jīng)過接收窗口入射到光學子系統(tǒng)，然后在面陣焦平面探測器光敏單元成像，并通過FPGA采集信號，DSP快速處理，輸出結(jié)果經(jīng)處理后將信息顯示在液晶顯示器上，顯示出入射激光波長和方向等信息。根據(jù)總體設計方案，探測實驗系統(tǒng)中光學子系統(tǒng)主要由激光接收窗口、光柵、透鏡組合，以及面陣焦平面探測器組成。衍射光柵激光波長和方向探測原理結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

2　空間粒子效應及處理方法

單粒子效應在激光告警技術(shù)應用中可能出現(xiàn)的主要問題包括：程序存儲中數(shù)據(jù)改變，導致計算錯誤，不能正確判斷到來的激光信號的角度和波長信息；程序存儲區(qū)發(fā)生位變化，使各個內(nèi)部程序不能正確執(zhí)行；寄存器等系統(tǒng)功能失效等情況。單粒子效應主要故障類型見表1。

圖1　激光告警系統(tǒng)框圖

表1　單粒子效應主要故障類型

經(jīng)統(tǒng)計，在上述故障中出現(xiàn)最多的是單粒子翻轉(zhuǎn)，它不會造成硬件損毀，可以通過采取有效的措施修復。在防止單粒子效應對電子芯片的影響時常用到的容錯措施有定期重配置、周期擦除、三模冗余、EDAC等手段[2]。

三模冗余(Triple Modular Redundancy，TMR)方法以實現(xiàn)簡單和效果可靠被廣泛地應用于單粒子翻轉(zhuǎn)的容錯處理中。由于片外冗余方式易增加電路的復雜性和功耗等，這里采用片內(nèi)冗余：外置存儲器分配三個地址空間對程序數(shù)據(jù)燒寫操作，保證某一位地址空間的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤時仍有其他程序正確執(zhí)行[3，4]。

3　系統(tǒng)可靠性設計

DSP在整個系統(tǒng)中主要完成數(shù)據(jù)處理，確定激光的波長、方位角和俯仰角，DSP程序的正確運行對于整個系統(tǒng)至關(guān)重要。DSP抗單粒子主要從硬件和軟件方面來考慮，硬件方面采用“看門狗”電路進行 DSP故障的實時檢測，軟件方面采用TMR的程序設計。

3.1看門狗電路

針對可能出現(xiàn)的程序跑飛甚至是死機問題，系統(tǒng)在電路中設計了專門的硬件“看門狗”進行加固。MAX706是MAXIM公司推出一種專門用來監(jiān)控微處理器工作狀態(tài)的監(jiān)控電路，具有“看門狗”功能。當檢測到DSP發(fā)生故障死機時產(chǎn)生復位脈沖。原理圖如圖2所示。

圖2　FPGA復位刷新設計原理圖

WDI端與DSP的IO口連接，主程序產(chǎn)生的脈沖信號通過GPIO3引腳傳輸給看門狗電路的輸入端，當DSP程序出現(xiàn)問題死機，在間隔1.6 s后看門狗定時器溢出，WDI拉低產(chǎn)生復位操作。電路還提供了手動復位方式，通過S3接通電路，電平拉低后使能人工復位輸入端MR,輸出有效的復位信號。

3.2數(shù)據(jù)的預處理

處理數(shù)據(jù)前對從FPGA傳輸過來的數(shù)據(jù)進行預先處理，在DSP程序中對幀頭標志、圖像亮點個數(shù)標志等影響程序運行流程的標志位進行TMR設計，然后判斷圖像中亮點的個數(shù)。激光經(jīng)過閃耀光柵發(fā)生衍射，再經(jīng)過透鏡組入射到探測器上，會有正負一級和零級3個亮點。程序判斷出有3個亮點后，才繼續(xù)運行計算波長方位角和俯仰角。其流程圖如圖3所示。

圖3　圖像預處理流程圖

3.3DSP程序燒寫與程序引導中的抗SEU設計

用高性能、超低功耗、部門架構(gòu)靈活等特點的 Flash存儲器CMOS 3.0V引導扇區(qū)閃存AM29LV160作為DSP的外部程序存儲器，將主程序工程做三模冗余備份。首先將引導程序在內(nèi)的所有程序下載到DSP內(nèi)存 RAM（0x00000000）中，進而對 Flash進行數(shù)據(jù)燒寫，在寫入 Flash中存儲時存入不同的地址空間做備份處理。部分程序代碼如下：

與RAM型器件中出現(xiàn)的單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象而引起的故障不同，F(xiàn)lash的單粒子翻轉(zhuǎn)類錯誤長期存在。針對Flash器件可能出現(xiàn)的單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，采用三模冗余結(jié)合定時刷新技術(shù)。在進行完差錯檢驗并得到正確的數(shù)據(jù)以后，每隔一段時間自動執(zhí)行Flash燒寫并進行再次備份的方式，將原來有可能累積的錯誤數(shù)據(jù)不斷擦除，即能確保設備的運行速度也保證了即使設備處于長時間的輻射影響中，也不會使錯誤積累。

3.4差錯檢驗及校正

備份在 Flash中的程序在下載到DSP以后，為了保證能夠正確運行，需要在運行之前進行差錯檢驗和表決，驗證是否有 bit位發(fā)生變化。這里通過在上電自舉的二次引導程序中增加輸出數(shù)據(jù)的差錯判決單元的方法來實現(xiàn)這一功能。如果在判決中發(fā)現(xiàn)有地址中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤則進行校正，確保運行的程序正確無誤[5，6]。

引導程序以逐位檢驗的方式進行檢錯，表決時采用三中取二原則，對三個主程序的每一個地址的各位依次進行表決，以確定要運行的主程序數(shù)據(jù)。其原理圖如圖4所示。

圖4　DSP程序上電引導原理框圖

差錯檢驗及表決過程如下：

在進行二次引導的時候，從起始地址開始進行依次判決并循環(huán)操作直到最后一位地址結(jié)束，隨后進入主程序執(zhí)行相關(guān)操作。

4　實驗

受實驗條件限制無法模擬高能粒子輻射環(huán)境，針對抗單粒子翻轉(zhuǎn)只對DSP上電引導程序差錯屏蔽功能實驗驗證：在一個備份地址中寫入錯誤數(shù)據(jù)i，執(zhí)行完操作后可以看到DSP內(nèi)存空間中的數(shù)據(jù)更新為校正后的正確數(shù)據(jù)。實驗步驟如下：

(1)首先在ccs3.3中對引導程序和主程序進行編譯，正確無誤后通過JTAG接口下載燒寫進DSP內(nèi)部RAM中。運行 Flash燒寫程序?qū)?shù)據(jù)存至三個不同的地址空間作為備份，結(jié)果如圖5所示。

圖5　Flash備份數(shù)據(jù)

(2)關(guān)閉ccs使開發(fā)板脫離仿真環(huán)境，對DSP進行重新上電啟動上電自舉程序，DSP將會在二次引導時完成差錯檢驗及校正，之后進行主程序的執(zhí)行。利用DSP仿真通過JTAG接口查看DSP內(nèi)部存儲空間中的數(shù)據(jù)。能夠驗證已將錯誤屏蔽掉。結(jié)果如圖6所示。

圖6　上電引導入DSP內(nèi)部的數(shù)據(jù)

5　結(jié)論

本文解決了激光告警設備進行實時高速激光信號采集與處理時高能粒子翻轉(zhuǎn)造成DSP芯片無法正常工作的問題。提出了以對外擴展非易失性存儲器Flash芯片作為存儲模塊，并采用自啟動技術(shù)進行程序的引導，調(diào)用以及執(zhí)行。通過信號預處理、三模冗余以及在引導程序中增加判決單元進行檢驗糾錯的方法進行DSP抗輻射程序的加固。保證了設備能夠在脫離PC進入空間環(huán)境后穩(wěn)定運行。

[1]張記龍，田二明，王志斌.基于正弦透射光柵的激光告警接收機研究[J].紅外與激光工程，2006，35(3)：326-330.

[2]周順燕，吳丹.一種基于Flash型 FPGA的高可靠系統(tǒng)設計[J].微計算機信息，2009，25(8)：134-136.

[3]邢克飛，楊俊，周永彬，等.星載高性能 DSP加固設計方法研究.[J]電子器件，2007，30(1)：206-209.

[4]王大慶，劉曉旭，王宇，等.基于軟件的星載 DSP減緩單粒子效應措施研究[J].空間電子技術(shù)，2013(1)：40-43.

[5]鄭歡歡，穆占杰.基于C6000系列DSP片外 Flash自啟動方法[J].信息化研究，2011，37(5)：34-37.

[6]馮軼，衛(wèi)育新.基于S320C6713及 AM29LV800B的上電自舉設計[J].電子設計工程，2009，17(2)：82-84.

Reliable design of laser warning DSP bootloading system

Yang Xiao1，Chen Yuanyuan1，2，Wang Zhibin1，2，Han Feng1，Chen Guangwei1
(1.Engineering Technology Research Center of Shanxi Province for Opto-Electronic Information and Instrument，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China)

The DSP chip based on SRAM is sensitive about the space particle radiation,when the laser warning system is working in the space environment,the space particle effect will influence the discrimination of the laser signals and the work of the program. In view of this phenomenon,we come up with a method in the aspect of hardware and software components for single particle reverse design.The article puts forward a plan by taking the watchdog circuit,the triple modular redundancy and error checking to prevent such failures.This method improves the reliability of system operation,ensures the correct implementation of the program.

laser warning；bootstrap on electricity；three mode redundancy；error inspection

TP274+.2

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.003

國家自然科學基金儀器專項基金(61127015)；國際科技合作項目(2012DFA10680；2013DFR10150)；山西省基礎研究項目(2013021028-1)

2015-06-04)

楊曉(1989-)，女，碩士研究生，主要研究方向：光電信息系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)。

陳媛媛(1980-)，通信作者，女，副教授，主要研究方向：光譜信息處理技術(shù)，E-mail：chenyy@nuc.edu.cn。

王志斌（1966-），男，博士生導師，主要研究方向：光電信息系統(tǒng)研究。

中文引用格式：楊曉，陳媛媛，王志斌，等.激光告警DSP加載系統(tǒng)的可靠性設計[J].電子技術(shù)應用，2015，41(10)：17-19，23.

英文引用格式：Yang Xiao，Chen Yuanyuan，Wang Zhibin，et al.Reliable design of laser warning DSP bootloading system[J]. Application of Electronic Technique，2015，41(10)：17-19，23.