CAN控制器單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)的研制

蔡陽陽，陶 偉，郭 剛，魏敬和

(1.中國電子科技集團公司第五十八研究所,江蘇 無錫 2141002.中國原子能科學(xué)研究院,北京 102488)

0 引 言

進入信息化時代，集成電路作為各種電子設(shè)備的硬件核心需求量極大，對其各方面性能的要求也在不斷提升。在航天領(lǐng)域，集成電路的抗單粒子效應(yīng)能力是考核其性能的主要指標(biāo)。功率器件主要考核單粒子燒毀、單粒子?xùn)糯┑?，?shù)字器件主要考核單粒子閂鎖、單粒子功能中斷以及單粒子翻轉(zhuǎn)等事件[1]。

CAN總線由于其實時性、可靠性以及靈活性在航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，相較用于軍事目的的MIL-STD-1553總線功能接近，但性價比更高，可靠性也能滿足要求[2-3]。CAN總線控制器應(yīng)用于航天器有廣泛的前景，但在空間環(huán)境中的適應(yīng)性還有待驗證，因而裝備前必須在地面進行空間輻射環(huán)境模擬。

單粒子效應(yīng)種類較多，SEL會導(dǎo)致電路電流瞬間增大，嚴(yán)重甚至燒毀電路，SEU會導(dǎo)致電路數(shù)字邏輯翻轉(zhuǎn)，影響電路正常功能。為了全面反映CAN控制器在輻射條件下的工作狀態(tài)，不能簡單地將SEU、SEL分開監(jiān)測，需要測試系統(tǒng)在不同輻射條件下動態(tài)監(jiān)測試驗過程中的狀態(tài)，包含電流、電壓、通信誤碼率等。

1 系統(tǒng)測試架構(gòu)

單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)需要實現(xiàn)對CAN控制器單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)、單粒子功能中斷以及單粒子鎖定效應(yīng)的測試，并且能夠使電流數(shù)據(jù)、通訊數(shù)據(jù)實時監(jiān)測以及保存。測試系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程監(jiān)控端、上位機以及試驗板組成，上位機與試驗板之間采用RS232協(xié)議通信，實驗板板上的控制區(qū)與DUT區(qū)(Design Under Test，DUT)采用CAN通訊，實現(xiàn)DUT區(qū)(CAN控制器)的動態(tài)測試。測試系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包含了NI工控機、單粒子實驗板、遠(yuǎn)程計算機等，需實現(xiàn)SEU、SEL的準(zhǔn)確監(jiān)測，并保護器件安全。

2.1 單粒子閂鎖的特征及硬件防護

單粒子閂鎖的主要特征表現(xiàn)為電源輸入端的電流突發(fā)性地異常增大，一般而言，器件的單粒子閂鎖引發(fā)的電流在0.03A～3A，且斷電前不可恢復(fù)正常，嚴(yán)重的會導(dǎo)致器件損毀[4-5]。因此，在設(shè)計系統(tǒng)硬件時，需要采取相關(guān)措施在確定出現(xiàn)閂鎖狀態(tài)時能迅速切斷電源，并且能使瞬間大電流不影響周邊器件安全。

選擇NI工控機作為上位機進行Labview監(jiān)測平臺設(shè)計，采用板卡PXIe-4113對試驗板進行供電，該型板卡提供兩通道60 W的電源，電壓誤差范圍在±12 mV，電流誤差范圍在±32 uA，當(dāng)出現(xiàn)電流波動時能夠準(zhǔn)確反映電流變化。上位機結(jié)合板卡實現(xiàn)電流的實時監(jiān)測以及電壓程控，可以對電流的異常趨勢進行監(jiān)測，當(dāng)電流過大時可自動斷電。單粒子試驗板包含有控制區(qū)、被測單元區(qū)以及隔離區(qū)?？刂茀^(qū)的核心為ARM系列STM32F103芯片，包含了CAN接口(2.0B主動)、USART以及若干GPIO口，既可以配置CAN控制器實現(xiàn)與其通訊，也可以與上位機的串口通訊；隔離區(qū)主要采用磁隔離芯片ADUM1400，以免DUT區(qū)出現(xiàn)單粒子閂鎖效應(yīng)時導(dǎo)致的大電流影響周邊器件安全。系統(tǒng)硬件圖如圖2所示。

系統(tǒng)電源分為3.3 V核心區(qū)供電以及4.5 V/5.5 V DUT區(qū)供電，核心區(qū)供電與DUT區(qū)供電隔離，保證DUT電流的準(zhǔn)確監(jiān)測；CAN控制器標(biāo)準(zhǔn)供電電壓為5 V，采用4.5 V供電可使芯片更容易發(fā)生SEU效應(yīng)，采用5.5 V供電能更容易產(chǎn)生SEL效應(yīng)。

STM32的工作主頻為72 MHz，被測CAN控制器的工作頻率為24 MHz，(小于STM32工作主頻的1/2)，系統(tǒng)的采樣頻率滿足要求。

2.2 單粒子翻轉(zhuǎn)的統(tǒng)計單元分析

CAN控制器的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要的數(shù)字單元為RAM類和REG(寄存器)類。信息緩沖存儲(TXB、RXFIFO)屬于RAM類，其他的邏輯單元屬于REG類。SEU效應(yīng)主要作用于數(shù)字單元區(qū)，因為高能粒子撞擊導(dǎo)致邏輯單元狀態(tài)改變，RAM區(qū)與REG區(qū)都極易發(fā)生SEU，通常還伴隨著單粒子功能中斷(SEFI)效應(yīng)，嚴(yán)重影響器件的正常工作[6-7]。

圖2 單粒子效應(yīng)硬件框圖

圖3 CAN控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

因此，ARM需要能夠訪問所有可讀寄存器與緩沖器，從而實時監(jiān)測各單元的邏輯狀態(tài)，并將錯誤結(jié)果發(fā)送給上位機顯示保存。STM32可通過CAN控制器的地址數(shù)據(jù)總線端口直接訪問所有可讀寄存器以及緩存器(RXB、TXB、RXFIFO)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件方案

單粒子效應(yīng)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件分為試驗板上的ARM控制程序、與上位機的通信程序、上位機程序。其中，ARM控制程序是軟件核心，需要通過串口建立與上位機的通信，實現(xiàn)與某型CAN控制器的CAN通訊，并統(tǒng)計SEU的翻轉(zhuǎn)個數(shù)。

上位機程序是在NI測試系統(tǒng)自帶的Windows平臺下開發(fā)的Labview應(yīng)用程序，可通過串口對單粒子效應(yīng)板進行數(shù)據(jù)讀取。通過NI的供電板卡對輻照試驗板供電，并監(jiān)測電源電流大小，如果超過設(shè)定的電流閾值，控制被測芯片的電源通斷，同時實時顯示電流值、翻轉(zhuǎn)次數(shù)以及功能中斷次數(shù)，并將實時電流數(shù)據(jù)以及有數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)的地址，翻轉(zhuǎn)位數(shù)保存下來。

3.2 單粒子翻轉(zhuǎn)統(tǒng)計模型

單粒子翻轉(zhuǎn)表現(xiàn)為同一時刻1位翻轉(zhuǎn)或多位翻轉(zhuǎn)，且會出現(xiàn)多地址的寄存器或者緩沖器同時翻轉(zhuǎn)，采用合適的方法保證統(tǒng)計數(shù)目的準(zhǔn)確性以及地址覆蓋的全面性很必要[8]。

為了保證測試覆蓋性，首先劃分CAN控制器翻轉(zhuǎn)統(tǒng)計區(qū)域，主要分為RXB、TXB、FIFO以及寄存器。TXB和RXB為8字節(jié)，F(xiàn)IFO為64字節(jié)，寄存器需要覆蓋所有可讀寄存器，包括MOD、CMR、SR、IR、IER、BTR0、BTR1、OCR、ALC、ECC、EWLR、TXERR、RMC、RBSA、CDR。統(tǒng)計翻轉(zhuǎn)數(shù)時，將四個區(qū)域(RXB、TXB、FIFO以及寄存器)分開統(tǒng)計，最后再求和。

數(shù)字單元在翻轉(zhuǎn)過程中，可能會出現(xiàn)連續(xù)翻轉(zhuǎn)，例如從0翻轉(zhuǎn)為1，再翻轉(zhuǎn)回0；也可能出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)過后一直維持在錯誤狀態(tài)，例如由0翻轉(zhuǎn)為1，并一直維持在1。為了準(zhǔn)確計算翻轉(zhuǎn)次數(shù)，需要建立合適的統(tǒng)計模型。首先將預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)寫入統(tǒng)計對象，通訊正常后，讀取第一時間輻照下器件各地址的存儲數(shù)據(jù)，生成第一讀數(shù)據(jù)，將預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)與第一讀數(shù)據(jù)進行逐位比較，統(tǒng)計翻轉(zhuǎn)位與翻轉(zhuǎn)位數(shù)目，并將第一讀數(shù)據(jù)賦值成為新的預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)，作為第二時間讀數(shù)據(jù)的對比數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)重復(fù)統(tǒng)計。所謂預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)，即為在通訊過程中某地址正確的數(shù)據(jù)讀值。單粒子翻轉(zhuǎn)統(tǒng)計模型如圖4所示。

圖4 單粒子翻轉(zhuǎn)統(tǒng)計模型

統(tǒng)計過程中，如果某地址內(nèi)數(shù)據(jù)的讀值不斷變化，僅采用單一的預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)會導(dǎo)致統(tǒng)計結(jié)果不準(zhǔn)確，因此需要找出讀值的變化規(guī)律來采用不同的預(yù)設(shè)值。CAN控制器的FIFO在未滿時，未填充數(shù)據(jù)的地址會讀出隨機數(shù)，無法統(tǒng)計翻轉(zhuǎn)數(shù)目，所以選擇在FIFO滿時讀取。FIFO滿后各地址內(nèi)容會隨著通訊過程不斷變化，變化規(guī)律表現(xiàn)為：

FIFOFULL=64*n+c

其中，n為非負(fù)整數(shù)，c={5，11，17，23，29，34，40，46，52，58，63}，F(xiàn)IFOFULL為FIFO第幾次滿。

c的取值共11種，表明FIFO滿情況可分為11種，因而預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)需要根據(jù)不同滿狀況設(shè)置，可采用語句if((n-c)%64= =0))來分類選擇。

4 單粒子輻照試驗

4.1 測試系統(tǒng)的功能驗證

測試系統(tǒng)在單粒子試驗之前需要進行功能驗證。系統(tǒng)功能主要驗證單粒子翻轉(zhuǎn)統(tǒng)計模型有效、單粒子閂鎖電流能單獨監(jiān)測、上位機能實時顯示電流及數(shù)據(jù)并能在過電流時切斷電源。

首先驗證單粒子閂鎖的檢測以及電源切斷動作是否及時，將CAN控制器電源地短接，模擬SEL效應(yīng)現(xiàn)象，試驗結(jié)果如圖5所示。被測CAN控制器的正常工作電流在35 mA左右，SEL閾值電流設(shè)計為52.5 mA(正常工作電流的1.5倍)，工控機板卡電流分辨精度在uA級，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測電流的異常變化。

圖5 SEL效應(yīng)顯示界面

圖7中，當(dāng)出現(xiàn)SEL現(xiàn)象時，電流指示燈以及SEL指示燈都會變“紅”提醒，5V處的電流數(shù)字顯示以及坐標(biāo)顯示都會實時反映電流異常，在程序設(shè)定的時間內(nèi)電流不恢復(fù)，則切斷電源，5V電流坐標(biāo)顯示處也不再有曲線。

然后驗證單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)能否準(zhǔn)確統(tǒng)計，將FIFO第十一次滿時首地址的預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)由“0x00”修改為“0x01”，表示FIFO首地址內(nèi)的數(shù)據(jù)有一位一直維持錯誤，按照統(tǒng)計模型計算翻轉(zhuǎn)數(shù)應(yīng)該為1，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 SEU效應(yīng)顯示界面

圖8中，顯示界面“總錯誤比特數(shù)”處顯示為1，驗證了統(tǒng)計模型的正確性。

4.2 輻照試驗

單粒子效應(yīng)試驗選用中國原子能科學(xué)研究院核物理研究所的HI-13串列加速器和蘭州近代物理研究所的回旋加速器進行。選擇粒子種類如表1。

表1 單粒子效應(yīng)試驗用的離子

SEL測試主要統(tǒng)計出現(xiàn)大電流的次數(shù)。試驗流程圖如圖7所示。

圖7 SEL試驗流程圖

單粒子鎖定的具體流程如下：

(1)由NI工控機監(jiān)測待測芯片電流是否突然增大至設(shè)定的閾值；如果達(dá)到，控制芯片對其進行復(fù)位；

(2)上述操作完成后，電流仍然不減小則認(rèn)為發(fā)生SEL效應(yīng)；

(3)斷開電源至芯片恢復(fù)正常溫度后，接通電源重新配置JRCAN控制器芯片；

SEU測試需要統(tǒng)計芯片內(nèi)部所有可讀模塊的位翻轉(zhuǎn)數(shù)目(寄存器、TXB、RXB、FIFO等)。通過STM32對CAN控制器進行功能配置，建立STM32的CAN通道與CAN控制器之間的通訊，在動態(tài)過程中統(tǒng)計翻轉(zhuǎn)位數(shù)。SEU試驗流程圖如圖8所示。

單粒子翻轉(zhuǎn)測試具體流程如下：

(1) 初始化待測CAN控制器芯片。

(2) 核心控制器配置待測芯片寄存器并寫入功能數(shù)據(jù)幀建立CAN通訊，CAN控制器被配置為PeliCAN模式，相比于BasicCAN可實現(xiàn)更多的邏輯單元翻轉(zhuǎn)；控制器讀取緩沖器、寄存器的值，與配置時的值對比，統(tǒng)計發(fā)生SEU的位數(shù)，并將控制器讀取到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機。

(3) 重復(fù)步驟(2)。

(4) 控制器發(fā)送重新配置命令，使JRCAN控制器重新配置數(shù)據(jù)為初始值。

(5) SEU效應(yīng)監(jiān)測過程中，一并監(jiān)測SEL效應(yīng)，以防止芯片因電流過大被燒壞。

單粒子功能中斷(SEFI)測試主要統(tǒng)計器件功能中斷的發(fā)生次數(shù)，無論寄存器區(qū)還是緩沖器區(qū)出現(xiàn)邏輯翻轉(zhuǎn)都會影響通訊功能，所以在SEU試驗過程中一并監(jiān)測SEFI效應(yīng)，統(tǒng)計CAN控制器在通訊過程中出現(xiàn)的停止收發(fā)數(shù)據(jù)或者收發(fā)數(shù)據(jù)幀不正確的次數(shù)。

兩種粒子下的單粒子效應(yīng)實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

圖8 SEU試驗流程圖

表2 單粒子效應(yīng)實驗粒子

粒子加速器名稱粒子注量/cm-2翻轉(zhuǎn)位數(shù)SEL次數(shù)SEFI次數(shù)GeHI-131.20×104000BiHIRFL0.8×104000

表2實驗數(shù)據(jù)表明，器件在Ge粒子(LET值=36.8 MeV·cm2/mg)、Bi粒子(LET值=98.5 MeV·cm2/mg)輻照條件下，數(shù)字邏輯單元翻轉(zhuǎn)數(shù)目為0，同時也未出現(xiàn)單粒子閂鎖和功能中斷。該器件抗單粒子輻照效應(yīng)能力較強，符合《QJ 10005—2008 宇航用半導(dǎo)體器件重離子效應(yīng)試驗指南》的要求，能夠滿足宇航級的使用。

5 結(jié) 語

本文介紹了一種CAN控制器單粒子試驗系統(tǒng)，可以在試驗過程中對CAN控制器進行全面的監(jiān)測，實時準(zhǔn)確地保存試驗數(shù)據(jù)，方便后續(xù)計算評估被測器件是否符合航天要求。提出一種單粒子翻轉(zhuǎn)統(tǒng)計模型，既保證全面統(tǒng)計翻轉(zhuǎn)位，也避免出現(xiàn)重復(fù)統(tǒng)計，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時針對地址內(nèi)容動態(tài)變化的單元，找出變化規(guī)律進行統(tǒng)計。最終測試結(jié)果表明，測試系統(tǒng)滿足了對待測器件進行單粒子評估的要求。