在轨单粒子翻转芯片定位方法和装置

技术领域

本发明涉及航天可靠性研究领域，尤其涉及一种在轨单粒子翻转芯片定位方法和装置。

背景技术

以FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)、SOC(SystemOn Chip，系统级芯片)等为代表的大规模集成电路或系统在航天器中的应用日益成为主流发展趋势，而这些大规模集成电路或系统易受单粒子翻转效应(Single Event Upset，SEU)影响，当前常根据在轨逻辑状态改变且可通过断电重启、刷新、部分重构等措施进行恢复，来判定是否发生了SEU。而对该异常是否由高能带电粒子引发，以及SEU发生位置信息的研究较少，这可能导致电路或系统SEU修复措施无法精准使用，影响航天器在轨效能的稳定实现，甚至会危及航天器的在轨安全。在轨单粒子翻转事件的研究是一项不可避免的必经之路，为此，有必要开展航天器在轨SEU甄别及定位技术研究，甄别在轨SEU导致的故障，获取在轨SEU发生的位置信息，为及时准确地采取应对措施提供技术支撑。但当前SEU事件产生原因难以准确定位，且目前获取的SEU事件发生信息匮乏。

发明内容

基于上述原因，本发明实施例提供一种在轨单粒子翻转芯片定位方法和装置。

本发明实施例的第一方面，提供一种在轨单粒子翻转芯片定位方法，包括：

根据SRAM(Static Random-Access Memory，静态随机存取存储器)型FPGA的功能需求对所述SRAM型FPGA的配置区进行配置，并将所述SRAM型FPGA的所有配置文件备份存储在NOR FLASH(非易失闪存)中；

在系统上电后，将所述NOR FLASH中的数据内容加载进所述SRAM型FPGA的配置区中，并读取所述SRAM型FPGA的配置区文件，检测所述配置区文件是否发生单粒子翻转；

在检测到所述配置区文件中的一帧数据发生单粒子翻转时，记录发生单粒子翻转的数据帧的地址，并获取对应的高能粒子信息以及所述高能粒子信息所在的空间轨道位置信息，将所述地址、所述高能粒子信息和所述空间轨道位置信息打包存储在NAND FLASH(NAND闪存)中。

可选的，所述根据SRAM型FPGA的功能需求对所述SRAM型FPGA的配置区进行配置，包括：

根据SRAM型FPGA的功能需求，对所述SRAM型FPGA进行综合编译、布局布线、生成支持配置、回读和刷新功能的配置，配置文件用于操纵所述SRAM型FPGA的配置区寄存器对底层配置区进行配置；其中，每一帧配置文件与所述SRAM型FPGA底层的最小逻辑配置单元一一对应。

可选的，所述将所述SRAM型FPGA的所有配置文件备份存储在NOR FLASH中，包括：

将所述SRAM型FPGA的所有配置文件三备份存储在NOR FLASH中。

可选的，所述将所述NOR FLASH中的数据内容加载进所述SRAM型FPGA的配置区中，并读取所述SRAM型FPGA的配置区文件，包括；

将所述NOR FLASH中的数据内容加载进所述SRAM型FPGA的配置区中；

当所述SRAM型FPGA配置成功后，读取所述SRAM型FPGA的配置区文件。

可选的，所述读取所述SRAM型FPGA的配置区文件，检测所述配置区文件是否发生单粒子翻转，包括：

实时轮询读取所述SRAM型FPGA的配置区文件，逐帧与原配置文件进行比对，检测所述配置区文件是否发生单粒子翻转。

可选的，在所述将所述高能粒子信息和所述空间轨道位置信息打包存储在NANDFLASH中之后，还包括：

对发生单粒子翻转的数据帧进行刷新，刷新后继续对所述SRAM型FPGA配置区进行读取。

可选的，所述对发生单粒子翻转的数据帧进行刷新，包括：

通过单帧刷新的方式，对发生单粒子翻转的数据帧进行刷新。

本发明实施例的第二方面，提供一种在轨单粒子翻转芯片定位装置，包括：

配置模块，用于根据SRAM型FPGA的功能需求对所述SRAM型FPGA的配置区进行配置，并将所述SRAM型FPGA的所有配置文件备份存储在NOR FLASH中；

检测模块，用于在系统上电后，将所述NOR FLASH中的数据内容加载进所述SRAM型FPGA的配置区中，并读取所述SRAM型FPGA的配置区文件，检测所述配置区文件是否发生单粒子翻转；

定位模块，用于在检测到所述配置区文件中的一帧数据发生单粒子翻转时，获取对应的高能粒子信息以及所述高能粒子信息所在的空间轨道位置信息，并将所述高能粒子信息和所述空间轨道位置信息打包存储在NAND FLASH中。

本发明实施例的第三方面，提供一种在轨单粒子翻转芯片定位装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述实施例的第一方面提供的任一项所述的在轨单粒子翻转芯片定位方法的步骤。

本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如实施例的第一方面提供的任一项所述的在轨单粒子翻转芯片定位方法的步骤。

本发明实施例的在轨单粒子翻转芯片定位方法和装置与现有技术相比存在的有益效果是：

本实施例先根据SRAM型FPGA的功能需求对SRAM型FPGA的配置区进行配置，然后检测配置区文件是否发生单粒子翻转；在检测到配置区文件中的一帧数据发生单粒子翻转时，记录发生单粒子翻转的数据帧的地址，并获取对应的高能粒子信息以及高能粒子信息所在的空间轨道位置信息，将地址、高能粒子信息和空间轨道位置信息打包存储在NANDFLASH中，实现了在轨单粒子翻转芯片的定位，为低地球轨道航天器环境设计与防护提供了可靠的数据，进一步可以保证SRAM型FPGA正确稳定的执行任务。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种在轨单粒子翻转芯片定位方法的实现流程示意图；

图2是本发明实施例提供的定位系统的总体架构图；

图3是本发明实施例提供的另一种在轨单粒子翻转芯片定位方法的实现流程示意图；

图4是本发明实施例提供的芯片定位的结构示意图

图5是本发明实施例提供的一种在轨单粒子翻转芯片定位装置的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的另一种在轨单粒子翻转芯片定位装置的结构示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

参见图1，为本实施例提供的在轨单粒子翻转芯片定位方法的一个实施例实现流程示意图，详述如下：

步骤S101，根据SRAM型FPGA的功能需求对所述SRAM型FPGA的配置区进行配置，并将所述SRAM型FPGA的所有配置文件备份存储在NOR FLASH中。

在航空航天等领域中，国内针对单粒子翻转效应甄别与定位技术的研究，相关资料较少，大多处于基于外挂SRAM，模拟在空间辐射环境下进行读写的阶段，不能灵活的定位大规模集成芯片SRAM型FPGA或SOC的单粒子翻转位置。

所以，针对航天器大规模集成电路芯片SRAM型FPGA单粒子翻转效应的研究需求，本实施例提供一种基于SRAM型FPGA的在轨单粒子翻转甄别与定位技术，基于刷新、回读SRAM型FPGA配置区的SEU事件定位方法。具体的，将SRAM型FPGA的配置比特流文件以帧结构进行组织，回读比对SRAM型FPGA的配置底层数据，通过检测发生翻转帧的地址来定位SEU事件在SRAM型FPGA配置区的位置。同时结合前端半导体探测器采集的外界空间高能粒子辐射环境信息，结合航天飞行器的导航定位空间轨道、时间信息等，存储在大容量FLASH中，用以建模在轨发生SEU事件数据集，为航天器在轨单粒子翻转事件的研究提供数据支撑。

可选的，步骤S101中所述的根据SRAM型FPGA的功能需求对所述SRAM型FPGA的配置区进行配置，包括：

根据SRAM型FPGA的功能需求，对所述SRAM型FPGA进行综合编译、布局布线、生成支持配置、回读和刷新功能的配置，配置文件用于操纵所述SRAM型FPGA的配置区寄存器对底层配置区进行配置；其中，每一帧配置文件与所述SRAM型FPGA底层的最小逻辑配置单元一一对应。

具体的，根据SRAM型FPGA的功能需求，通过FPGA编译软件对FPGA进行综合编译、布局布线、生成支持配置、回读、刷新功能的比特流文件。生成的比特流文件是以帧为单位组织的，每一帧可以由41个字，每个字可以由32个比特位组成，这些帧是配置SRAM型FPGA配置区的数据文件，用以操纵FPGA配置区寄存器对底层配置区进行配置，每一帧配置内容与FPGA底层的最小逻辑配置单元一一对应，如图3，本实施例将每一帧配置文件内加入FPGA底层配置区配置地址，用以实现将该数据帧配置到相应的FPGA底层逻辑配置逻辑单元中。

可选的，步骤S101中所述的将SRAM型FPGA的所有配置文件备份存储在NOR FLASH中，包括：

将所述SRAM型FPGA的所有配置文件三备份存储在NOR FLASH中，可以降低存储空间，提高存储速度。

可选的，本实施例还可以建立基于某一轨道的全球单粒子空间环境辐射数据模型，建立基于某一轨道的时间、位置、单粒子事件次数、单粒子种类、单粒子辐射的通量和能谱分布情况的数据库，用于后续航天器设计中，对材料和器件的环境适应性进行分析评估，对元器件的选型、采取的单粒子防护措施提供依据，为低地球轨道航天器环境设计与防护提供了可靠的数据。

步骤S102，在系统上电后，将所述NOR FLASH中的数据内容加载进所述SRAM型FPGA的配置区中，并读取所述SRAM型FPGA的配置区文件，检测所述配置区文件是否发生单粒子翻转。

可选的，步骤S102所述的将所述NOR FLASH中的数据内容加载进所述SRAM型FPGA的配置区中，并读取所述SRAM型FPGA的配置区文件，包括；

将所述NOR FLASH中的数据内容加载进所述SRAM型FPGA的配置区中。

当所述SRAM型FPGA配置成功后，读取所述SRAM型FPGA的配置区文件。

可选的，步骤S102所述的读取所述SRAM型FPGA的配置区文件，检测所述配置区文件是否发生单粒子翻转，包括：

实时轮询读取所述SRAM型FPGA的配置区文件，逐帧与原配置文件进行比对，检测所述配置区文件是否发生单粒子翻转，增加了及时性，提高了定位速度。

示例性的，可以将SRAM型FPGA配置文件三备份存储在抗辐照大容量NOR FLASH中去，当系统上电后三取二NOR FLASH中的数据内容加载进SRAM型FPGA的配置区中。当SRAM型FPGA配置成功后，反熔丝型FPGA开始实时轮询读取SRAM型FPGA配置区文件，逐帧与原文件进行比对。

步骤S103，在检测到所述配置区文件中的一帧数据发生单粒子翻转时，记录发生单粒子翻转的数据帧的地址，并获取对应的高能粒子信息以及所述高能粒子信息所在的空间轨道位置信息，将所述地址、所述高能粒子信息和所述空间轨道位置信息打包存储在NAND FLASH中。

具体的，本实施例在发生单粒子翻转效应时，通过回读操作，反熔丝型FPGA检测到SRAM型FPGA配置区的某一帧数据翻转，记录下该发生翻转帧的地址，并调取由高能粒子探测模块的外界高能粒子信息(高能粒子：如具有高能量的质子和重离子等)，结合此时所处在的空间轨道位置信息，将该信息集打包存储在大容量NAND FLASH中。

可选的，在所述将所述高能粒子信息和所述空间轨道位置信息打包存储在NANDFLASH中之后，还包括：

对发生单粒子翻转的数据帧进行刷新，刷新后继续对所述SRAM型FPGA配置区进行读取，即完成单粒子翻转效应恢复功能。

可选的，所述对发生单粒子翻转的数据帧进行刷新，包括：

通过单帧刷新的方式，对发生单粒子翻转的数据帧进行刷新，提高刷新速度，即快速完成单粒子翻转效应恢复功能。

本实施例的基于SRAM型FPGA的在轨单粒子定位技术具备单粒子翻转效应恢复功能。具体的，反熔丝型FPGA存储完毕该SEU事件信息即执行完步骤S103后，通过单帧刷新的方式将SRAM型FPGA配置区内该发生单粒子翻转的帧数据进行刷新，用以保证SRAM型FPGA的功能正确性。刷新该错误帧后，反熔丝型FPGA继续执行对SRAM型FPGA配置区的回读操作，完成完整的一次对SRAM型FPGA单粒子翻转效应的甄别与定位。

本实施例基于SRAM型FPGA的在轨单粒子翻转甄别与定位技术，可以实时监控大规模集成电路芯片SRAM型FPGA或SOC是否发生单粒子翻转效应，采取对FPGA配置区配置、刷新、回读的方法，可以有效判别出SEU发生事件。由于采取全局配置、刷新、回读芯片配置区，可以及时完整的对整个芯片的配置区进行监控并及时恢复处理。

航天器SEU甄别技术以大规模集成电路芯片SRAM型FPGA或以SRAM型FPGA为构架的SOC芯片为监控目标，基于FPGA的内部逻辑结构，对底层布局构架进行监控，在太空环境中，宇宙射线、太阳增强粒子、具有能量的质子和中子等高能粒子(质子、重离子)入射到电子器件上的辐射所引起的单粒子翻转反应。本实施例的基于SRAM型FPGA的在轨单粒子翻转甄别与定位技术实现了大规模集成电路芯片的单粒子翻转效应事件定位功能。

可选的，本实施例采用反熔丝型FPGA来监控SRAM型FPGA的单粒子翻转事件，可以有效结合现有低轨、中高轨等星上导航接收机，实现纵向深入导航接收机功能。本实施例基于导航接收机配置、刷新、回读在轨单粒子翻转效应保护技术，基于在轨飞行经验，深入完善其单粒子翻转效应定位的功能，还可以采用模块化设计，如图2和4所示，模块化设计的可移植性强、兼容性强、实用性强，可以有效应用于在轨导航接收机等星上单粒子翻转效应防护，在解决原有导航接收机等星上载荷只能防护单粒子翻转效应的同时，还可以满足甄别引发单粒子翻转效应的高能粒子，定位翻转位置并记录保存SEU事件。当飞行器在轨工作时，太阳耀斑粒子、地球辐射带和磁层粒子、扰动时磁尾注入粒子以及行星际来的银河宇宙射线都会对航天器造成很大伤害，本实施例通过积累数据建立各种模型，为空间环境探测提供安全保障。

上述在轨单粒子翻转芯片定位方法，可以对大规模集成电路FPGA、SOC的单粒子在芯片内部发生的位置及概率等信息提供数据支持，对单粒子翻转效应易打翻FPGA或SOC芯片内部底层构架的精确位置、寄存器处做出精确定位，为后续大规模集成电路FPGA、SOC的单粒子的防护提供参考；还可以结合建立的全球单粒子空间环境辐射数据模型，为在轨其它卫星发生的软件故障进行单粒子事件的故障定位提供数据参考。

本领域技术人员可以理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

对应于上文实施例所述的在轨单粒子翻转芯片定位方法，本实施例提供了一种在轨单粒子翻转芯片定位装置。具体参见图5，为本实施例中在轨单粒子翻转芯片定位装置的结构示意图。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

所述在轨单粒子翻转芯片定位装置主要包括：配置模块110、检测模块120和定位模块130。

配置模块110用于根据SRAM型FPGA的功能需求对所述SRAM型FPGA的配置区进行配置，并将所述SRAM型FPGA的所有配置文件备份存储在NOR FLASH中。

检测模块120用于在系统上电后，将所述NOR FLASH中的数据内容加载进所述SRAM型FPGA的配置区中，并读取所述SRAM型FPGA的配置区文件，检测所述配置区文件是否发生单粒子翻转。

定位模块130用于在检测到所述配置区文件中的一帧数据发生单粒子翻转时，获取对应的高能粒子信息以及所述高能粒子信息所在的空间轨道位置信息，并将所述高能粒子信息和所述空间轨道位置信息打包存储在NAND FLASH中。

可选的，所述定位模块130还用于：

对发生单粒子翻转的数据帧进行刷新，刷新后继续对所述SRAM型FPGA配置区进行读取。

上述在轨单粒子翻转芯片定位装置，先根据SRAM型FPGA的功能需求对SRAM型FPGA的配置区进行配置，然后检测配置区文件是否发生单粒子翻转；在检测到配置区文件中的一帧数据发生单粒子翻转时，记录发生单粒子翻转的数据帧的地址，并将信息打包存储在NAND FLASH中，实现了在轨单粒子翻转芯片的定位，为低地球轨道航天器环境设计与防护提供了可靠的数据，进一步可以保证SRAM型FPGA正确稳定的执行任务。

本实施例还提供了一种在轨单粒子翻转芯片定位装置100的示意图。如图6所示，该实施例的在轨单粒子翻转芯片定位装置100包括：处理器140、存储器150以及存储在所述存储器150中并可在所述处理器140上运行的计算机程序151，例如在轨单粒子翻转芯片定位方法的程序。

其中，处理器140在执行存储器150上所述计算机程序151时实现上述在轨单粒子翻转芯片定位方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤101至103。或者，所述处理器140执行所述计算机程序151时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图5所示模块110至130的功能。

示例性的，所述计算机程序151可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器150中，并由所述处理器140执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序151在所述在轨单粒子翻转芯片定位装置100中的执行过程。例如，所述计算机程序151可以被分割成配置模块110、检测模块120和定位模块130，各模块具体功能如下：

配置模块110用于根据SRAM型FPGA的功能需求对所述SRAM型FPGA的配置区进行配置，并将所述SRAM型FPGA的所有配置文件备份存储在NOR FLASH中。

检测模块120用于在系统上电后，将所述NOR FLASH中的数据内容加载进所述SRAM型FPGA的配置区中，并读取所述SRAM型FPGA的配置区文件，检测所述配置区文件是否发生单粒子翻转。

定位模块130用于在检测到所述配置区文件中的一帧数据发生单粒子翻转时，获取对应的高能粒子信息以及所述高能粒子信息所在的空间轨道位置信息，并将所述高能粒子信息和所述空间轨道位置信息打包存储在NAND FLASH中。

所述在轨单粒子翻转芯片定位装置100可包括，但不仅限于处理器140、存储器150。本领域技术人员可以理解，图6仅仅是在轨单粒子翻转芯片定位装置100的示例，并不构成对在轨单粒子翻转芯片定位装置100的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述在轨单粒子翻转芯片定位装置100还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所述处理器140可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器150可以是所述在轨单粒子翻转芯片定位装置100的内部存储单元，例如在轨单粒子翻转芯片定位装置100的硬盘或内存。存储器150也可以是所述在轨单粒子翻转芯片定位装置100的外部存储设备，例如所述在轨单粒子翻转芯片定位装置100上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器150还可以既包括所述在轨单粒子翻转芯片定位装置100的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器150用于存储所述计算机程序以及在轨单粒子翻转芯片定位装置100所需的其他程序和数据。所述存储器150还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模型的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。