多工作模式的刷新成像系統(tǒng)

李 波，余 達(dá)，劉金國，孔德柱，梅 貴，陳佳豫，趙 瑩

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

1 引 言

大容量SRAM型現(xiàn)場可編程邏輯器件(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)功能強大，在空間成像領(lǐng)域如空間監(jiān)視、遙感成像中有廣泛的應(yīng)用[1-3]。由于復(fù)雜的空間輻照環(huán)境和SRAM型FPGA自身的結(jié)構(gòu)工藝，該類器件在軌易受單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)(Single Event Upset，SEU)影響，導(dǎo)致成像功能異常，在成像探測器上電配置期間出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)有損壞器件的風(fēng)險，需要進(jìn)行輻射加固。常見的SEU加固措施包含三模冗余、糾錯編碼、局部重配置和配置刷新等[4-6]。其中三模冗余資源占用率高，長時間工作可能導(dǎo)致故障累積而失效，適用于邏輯關(guān)系故障；糾錯編碼占用資源更少，編碼簡單時檢測和糾錯有限，編碼復(fù)雜時會降低數(shù)據(jù)傳輸速率，適用于BRAM翻轉(zhuǎn)故障；動態(tài)重配置主要針對器件發(fā)生的永久物理故障，而配置區(qū)受SEU的影響能通過刷新方式解決，配置期間不能工作[7-10]；刷新技術(shù)[11-14]通過將正確的配置幀信息寫入FPGA可以較好地修復(fù)SEU。刷新方法常使用對輻照不敏感的反熔絲FPGA對刷新過程進(jìn)行控制，但軟硬件設(shè)計復(fù)雜。另一種刷新方法是使用專用的定時刷新芯片，設(shè)計難度和復(fù)雜度可大幅降低[15]。

上海復(fù)旦微公司的刷新芯片JFMRS01RH，采用SMIC 0.18 μm CMOS工藝和DICE設(shè)計加固方法，具有自身可靠性高、抗輻射能力強，可以定時檢測FPGA的SEFI狀態(tài)并刷新FPGA，削減單粒子的累積效應(yīng)。該芯片支持可編程只讀存儲器(PROM)、SPI FLASH、異步NOR FLASH存儲器件，提供對異步NOR FLASH、SPI FLASH的編程、全芯片擦除、扇區(qū)擦除、數(shù)據(jù)校驗、數(shù)據(jù)回讀功能，同時提供對PROM的數(shù)據(jù)回讀功能。JFMRS01RH支持復(fù)旦微電子公司研制的JFM4V系列和JFM7V系列FPGA器件，以及Xilinx公司主流FPGA[16]。該器件通過串口即可實現(xiàn)復(fù)雜的操作，但其串口不支持菊花鏈工作方式，而且波特率為固定的115.2 bit/s，不可調(diào)整。若刷新成像系統(tǒng)中每片F(xiàn)PGA和刷新芯片都各配置一組串行總線，則整個刷新成像系統(tǒng)的電纜數(shù)量龐大；若使用FPGA對刷新芯片串口控制，則可能由于二者的相互控制陷入工作不正常的死循環(huán)。該刷新芯片應(yīng)用不方便的另一方面，是在器件加電后就立即啟動FPGA配置操作，而FPGA由于配置過程電流大通常采用分步上電方式，從而容易出現(xiàn)刷新芯片控制下的FPGA加載失敗。若完全依靠刷新芯片進(jìn)行成像系統(tǒng)控制，當(dāng)刷新芯片出現(xiàn)損壞或者工作異常，則整個成像系統(tǒng)失??；在調(diào)試過程中出現(xiàn)異常，也難進(jìn)行問題定位，因此需要進(jìn)行多工作模式的設(shè)計。最后，刷新成像系統(tǒng)需要在軌軟件重注功能，可根據(jù)在軌的應(yīng)用需求，實現(xiàn)刷新成像系統(tǒng)的功能重構(gòu)。

2 多工作模式的刷新成像系統(tǒng)設(shè)計

刷新成像系統(tǒng)包含多組刷新成像單元和主控。刷新成像單元包含刷新芯片、FPGA、flash、PROM組、總線驅(qū)動器和成像探測器。flash直接與刷新芯片相連，受刷新芯片控制，用于接收待更新的配置數(shù)據(jù)。PROM與FPGA之間、FPGA與刷新芯片之間采用總線驅(qū)動器實現(xiàn)通路的切換。FPGA產(chǎn)生成像探測器工作所需的相關(guān)工作時序，并接收成像探測器輸出的圖像數(shù)據(jù)。主控通過邏輯控制信號和菊花鏈結(jié)構(gòu)的串行422總線對各成像單元刷新配置過程進(jìn)行控制。然而，串行422總線直接與FPGA相連，F(xiàn)PGA通過解析主控的422命令，產(chǎn)生響應(yīng)的控制命令并將接收到的配置數(shù)據(jù)通過刷新芯片的串口寫入與刷新芯片相連的flash中。

2.1 刷新芯片JFMRS01RH電路

在軌刷新成像系統(tǒng)如圖1所示，刷新芯片JFMRS01RH內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示?？赏ㄟ^外部的控制信號或者串行通信接口進(jìn)行刷新芯片內(nèi)部配置寄存器的狀態(tài)控制，刷新芯片的內(nèi)核可外部供電，而與可選擇使用內(nèi)部的LDO供電；刷新芯片可通過讀取FPGA內(nèi)部的配置信號，與指定的配置數(shù)據(jù)源進(jìn)行對比，進(jìn)行位流解析，產(chǎn)生相應(yīng)的控制；也通過串行接口，接收重注程序，編程寫入外部flash中。

圖1 在軌刷新成像系統(tǒng)Fig.1 On-orbit refresh imaging system

圖2 刷新芯片JFMRS01RH內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure of refresh chip JFMRS01RH

2.2 成像處理電路

成像處理電路中FPGA采用Xilinx公司的V5系列FPGA XQ5VFX100tff1136M，最大可用680個管腳，內(nèi)部包含8 208 kbit的塊RAM資源和256個DSP48E資源[17]。成像處理需要多種供電電源，為盡量降低成像電箱的總功耗，成像處理擬采用3種供電電源。此部分主要采用TI公司的TPS7H1101MHKRV進(jìn)行供電(圖3)，其中由于FPGA內(nèi)核電流大，采用VPT公司的點負(fù)載DS-DVPL0510S-5.0供電；外部接口電路和刷新成像部分采用LS883進(jìn)行供電。

圖3 TPS7H1101MHKRV供電電路Fig.3 Power supply circuit based on TPS7H1101MHKRV

刷新成像成像系統(tǒng)具有3種成像工作模式，如圖4和表1所示：

圖4 刷新成像控制邏輯流程圖Fig.4 Refresh imaging control logic flow chart

表1 3種工作模式下的電流及狀態(tài)Tab.1 Current and status in three working mode

(1)刷新功能禁止模式。主控發(fā)出的控制信號使刷新使能處于無效的低電平。FPGA為主并工作模式，直接從PROM加載數(shù)據(jù)，刷新芯片的供電處于禁止?fàn)顟B(tài)。

(2)從PROM加載的在軌刷新模式。刷新芯片的供電輸出使能，主控發(fā)出的控制信號刷新使能處于有效的高電平，重注使能處于無效的低電平。FPGA為從并工作模式，加載過程受刷新芯片控制，刷新芯片的串口是受FPGA控制，通過外部復(fù)位，刷新芯片的加載配置信號取決于外部的管腳電平信息，刷新芯片的管腳電平為默認(rèn)從PROM加載。

(3)從flash加載的在軌刷新模式。刷新芯片的供電輸出使能，主控發(fā)出的控制信號刷新使能處于有效的高電平，重注使能處于無效的低電平。FPGA為從并工作模式，加載過程受刷新芯片控制，刷新芯片的串口是受FPGA控制，通過外部復(fù)位，刷新芯片的加載配置信號取決于外部的管腳電平信息，刷新芯片的管腳電平為從修改了程序的flash加載。

3 測試結(jié)果

3.1 多工作模式加載結(jié)果

表2為不同工作模式下的加載結(jié)果，具體表現(xiàn)為工作電流的變化，如圖5所示。

圖5 未刷新使能的工作電流Fig.5 Operating current without refresh enable

表2 不同加載模式下的供電電流Tab.2 Supply current in different loading modes

3.2 刷新驗證結(jié)果

(1)不刷新使能，燒入新的bit文件

刷新成像系統(tǒng)運行正常，輸出正常的感光圖像。

(2)刷新使能，燒入新的bit文件

刷新成像系統(tǒng)在正常攝像的狀態(tài)下，通過JTAG口燒入新的bit流，燒入成功，結(jié)果輸出圖像的攝像狀態(tài)停止了，重新發(fā)送攝像命令，然后才開始繼續(xù)輸出圖像。說明刷新功能僅能實現(xiàn)恢復(fù)回原始的bit，并不能恢復(fù)回發(fā)生SEU前的狀態(tài)，除非對配置相關(guān)外的數(shù)據(jù)進(jìn)行三模冗余。

3.3 重注驗證

(1)每包編程數(shù)據(jù)返回遙測值：編程成功。

(2)位流CRC校驗結(jié)果：位流CRC校驗成果。

(3)回讀數(shù)據(jù)與編程數(shù)據(jù)的對比結(jié)果：回讀數(shù)據(jù)與編程數(shù)據(jù)相同。

3.4 加載重注

刷新成像系統(tǒng)中FPGA芯片XQ5VFX100T的配置數(shù)據(jù)在刷新芯片的控制下，0.6 s內(nèi)可完成上電加載配置(圖6)。直接使用復(fù)旦微公司的上位機軟件，刷新芯片串口波特率為固定的115.2 kbit/s，單包204 byte有效數(shù)據(jù)外還需要添加27 byte的幀頭、幀長等數(shù)據(jù)，傳輸效率為88.3%，傳輸時間為2.01 ms。采用422串口助手，串行控制信號的波特率為625 kbit/s，單包204 byte有效數(shù)據(jù)外還需要添加32 byte的幀頭、幀長、同步碼、地址碼等數(shù)據(jù)，傳輸效率為86.4%，傳輸時間為0.377 6 ms。

圖6 FPGA加載配置時間長度測量結(jié)果Fig.6 Measurement length of FPGA load configuration time

4 結(jié) 論

本刷新成像系統(tǒng)可以實現(xiàn)FPGA配置數(shù)據(jù)源為PROM的主并工作方式加載，在刷新芯片控制下的配置數(shù)據(jù)源為PROM從并工作方式，也可以實現(xiàn)配置數(shù)據(jù)源為flash的從并工作方式，因此該系統(tǒng)具有很高的可靠性?？赏ㄟ^外部串行總線進(jìn)行各組刷新程序的分時更新，因此具備設(shè)計靈活性和在軌可維護(hù)性。通過JTAG口燒入與加載數(shù)據(jù)不同位流，在刷新使能狀態(tài)下會恢復(fù)為原數(shù)據(jù)流，證明刷新芯片能把改寫的位流恢復(fù)，具備防單粒子的功能。要保證寄存器等數(shù)據(jù)不因單粒子事件而改寫，還需要結(jié)合三模冗余等措施對關(guān)鍵信號和數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。