摘要
在复杂的空间电磁环境下，电路受宇宙射线、单粒子的影响较大，因此器件的可靠性至关重要。反熔丝现场可编程门阵列(FPGA)是以反熔丝为基本编程结构的一次性可编程器件，编程后状态不可翻转，具有非易失性、高保密性、高可靠性、抗辐照等优势，非常适用于航天航空等领域。本文给出一种基于国产反熔丝FPGA(RS422)的抗辐照波控单元设计方案,以国产反熔丝FPGA芯片为核心，给出系统电路的工作原理、实现框图，解决空间电磁环境下雷达阵面控制问题，并进行了相关实验。实验结果表明，在5 MHz波特率下，RS422传输延迟小于码元周期，且对144单元移相组件的布相时间小于500 μs，达到设计指标要求。
现场可编程门阵列(FPGA)是一种可编程的逻辑器件，按能否重复编程，分为一次可编程和多次可编程FPGA。反熔丝FPGA以反熔丝为编程基本单元，是一次性可编程逻辑器件的一种。反熔丝FPGA具有高速、高可靠性、低功耗和非易失性等特点；最重要的是，反熔丝FPGA具有天然的抗辐照特性，非常适用于军工、航天领
在相控阵雷达系统中，基本原理是对相控阵天线阵列各个移相单元(微波组件)的幅度和相位进行控制，从而改变雷达波空间合成的波束指向，或在某些特定的方向形成零
根据波控单元系统设计需求，本设计分为2个模块实现，即天线接口模块和天线波控板。天线接口模块主要为低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)和3个接口(控制接口、供电接口和与天线波控板对接的接口)组成，完成电源管理及控制信号转接；天线波控板主要完成控制信号的处理及波控码分发。波控单元实现框图如
图1 波控单元实现框图
Fig.1 Implementation diagram of wave control
对于波控单元的抗辐照设计，本文主要考虑抗单粒子翻转、抗单粒子锁定和抗总剂量三个方面。
单粒子翻转是指高能粒子击中存储单元和与其相连的敏感节点，并在存储单元附近沉积电荷，使存储单元中的数据位翻转。
单粒子锁定是指高能粒子打在互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)存储器器件寄生可控硅结点上，使器件导通，器件电流明显增大，甚至烧毁器件。
总剂量辐射效应是指金属氧化物半导体(MOS)器件持续受到电离辐射(如x射线、γ射线等)时，辐射剂量不断地积累，导致器件性能退化乃至失效。
波控单元核心处理器件FPGA易受宇宙射线的影响，因此在设计时重点考虑选型。在航天领域中常用的FPGA主要有两种：SRAM型FPGA和反熔丝型FPGA。SRAM型FPGA的抗单粒子能力相对较差，反熔丝型FPGA从设计工艺上可有效防止单粒子翻转等事件的发生，且采用一次性编程，无需配置芯片。
本设计中波控单元主要实现的功能为移相单元的波控码分发，基于可靠性、产品尺寸和国产化要求，最后选用国产抗辐照反熔丝FPGA器件。该反熔丝型FPGA，系统门数108 000门，典型门数72 000门。器件内部有两种类型的逻辑单元：寄存器单元(R-cell，抗辐照三模冗余)和组合单元(C-cell)，如
图2 C-cell单元和R-cell单元示意图
Fig.2 Diagram of C-cell and R-cell
5 V，可配置输出电平模式有PCI(Peripheral Component Interconnect)、LVTTL(Low Voltage TTL)和COMS。在抗辐射特性方面，抗总剂量≥100 krad(Si)，抗单粒子锁定≥75 MeV·c
波控单元所使用器件除对单粒子锁定不敏感器件外，其余所选器件的单粒子锁定阈值均在75 MeV·c
图3 电流监控原理图
Fig.3 Diagram of current monitoring
本设计中波控单元在很多路径上设置了电流监控机内测试(Built-in Test，BIT)，可对主要路径上的电流进行实时或定时监控，防止系统级的单粒子锁定发生。一旦发生单粒子锁定，可立即对系统进行断电操作，并至少间隔1 s后才能再次上电。上电后需对设备进行自检，待功能正常后才能使用。
器件长期在空间辐射环境中，会使累积的电荷增多，导致器件失效。总剂量效应对绝大部分器件和材料均会造成不同程度的影响，在剂量大的辐射环境中还会对材料晶格造成位移损伤。根据在轨电离总剂量与屏蔽厚度关系，如
equivalent aluminum thickness(A1)/mm | shield thickness g/c | captured electron dose /rad(Si) | bremsstrahlung radiation dose/rad(Si) | captured proton dose /rad(Si) | total dose /rad(Si) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.04 | 0.010 |
4.39×1 |
1.93×1 |
4.23×1 |
4.43×1 |
| 0.10 | 0.027 |
1.96×1 |
1.28×1 |
2.07×1 |
1.98×1 |
| 0.20 | 0.054 |
6.93×1 |
7.21×1 |
1.04×1 |
7.04×1 |
| 0.30 | 0.081 |
3.05×1 |
4.70×1 |
6.85×1 |
3.12×1 |
| 0.40 | 0.108 |
1.48×1 |
3.34×1 |
5.37×1 |
1.53×1 |
| 0.50 | 0.135 |
7.57×1 |
2.55×1 |
4.43×1 |
8.04×1 |
| 0.60 | 0.162 |
4.20×1 |
2.07×1 |
3.70×1 |
4.59×1 |
| 0.70 | 0.189 |
2.59×1 |
1.74×1 |
3.21×1 |
2.93×1 |
| 0.80 | 0.216 |
1.75×1 |
1.52×1 |
2.83×1 |
2.04×1 |
| 0.90 | 0.243 |
1.24×1 |
1.35×1 |
2.60×1 |
1.51×1 |
| 1.00 | 0.270 |
9.13×1 |
1.22×1 |
2.45×1 |
1.17×1 |
| 1.50 | 0.405 |
3.23×1 |
8.3×1 |
1.90×1 |
5.22×1 |
| 2.00 | 0.540 |
1.67×1 |
6.39×1 |
1.55×1 |
3.28×1 |
| 2.50 | 0.675 |
1.01×1 |
5.21×1 |
1.35×1 |
2.41×1 |
| 3.00 | 0.810 |
6.36×1 |
4.42×1 |
1.24×1 |
1.92×1 |
根据波控单元的功能需求，FPGA软件主要由SPI串口接收模块、波控码转换模块和SPI串口发送模块组成。SPI串口接收模块接收波束控制器发来的波控码数据包、LDO控制数据和开关网络控制数据，并将LDO控制数据和开关网络控制数据以TTL信号形式输出。波控码转换模块将波控码数据转换为移相单元所需的3路并行数据格式。SPI串口发送模块分包发送转换后的144路波控码至微波组件的移相单元。设计中考虑到FPGA资源问题，在满足性能指标的前提下，将144路波控码分2次发送，通过分时复用方式有效提高了FPGA的资源使用效率。程序的输入接口信号包括系统时钟信号clk，SPI时钟信号spi_sclk_mosi，SPI片选信号spi_ncs_mosi，SPI数据信号spi_dat_mosi，输出接口包括开关网络控制信号net_code，LDO控制信号ldo_code，一级同步时钟信号sclk0~sclk11，一级同步使能信号load0~load11，二级同步时钟信号bclk0~bclk23，二级同步使能信号pload0~pload23，同步数据信号sdo0~sdo23。部分信号的仿真图如
图4 RS422串口输出时序图
Fig.4 Diagram of RS422 serial port output sequence
根据设计指标要求，微波组件一行共12个移相单元，每个移相单元由6位移相码和1位衰减器开关控制码组成，共7位。移相单元中每个串并转换芯片对应2个单元，故需要14位串行数据。第一级每次传输对应4路并行数据，故完成一次移相单元移相控制需要发送14次数据，共3×14=42位串行数据。波控单元从收到144路波控码后转发给下级所有的移相单元的布相时间要求小于500 μs。经实际测试，波控单元与波束控制器通信接口接收数据的模式采用RS422同步全双工接收，波特率为5 MHz，完成72路波控码接收时间大约为128 μs。波控单元与微波组件的移相单元通信接口发送数据模式采用RS422同步全双工发送，波特率为5 MHz，完成一次42位波控码的布相时间约为22 μs。根据软件设计，总共完成144路波控码的分发时间约为300 μs，满足设计要求。
图5 串口输出端测试波形图
Fig.5 Test waveform of the serial port output
根据设计指标要求，对12路监控电流分别在常温、高温和低温下进行测试。为模拟真实测试环境，测试中将微波组件替换为电子负载，然后将波控单元、电子负载、电源和万用表进行连接。通过适当调整电子负载，依次对12路电流进行测试，测试结果表明，当电子负载减小(微波组件被高能粒子损坏)时，万用表测试得到的电压显著增大，即监控电流增大，系统成功关闭。
根据单粒子效应测试系统的方法指南规定，在进行单粒子实验前需对器件进行编程。电路的端口电平配置为3.3 V LVTTL，进行单粒子翻转实验时，UCCI=3.0 V；进行单粒子锁定实验时，UCCI=5.5 V。
进行单粒子翻转实验时，在测试电路和对比电路的内部生成同样的逻辑程序。实验时向逻辑程序注入同样的触发条件，形成循环数据；然后采样两者输出结果进行对比，若对比结果发生错误，则累计计数发生翻转一次。
进行单粒子锁定实验时，首先对设备的粒子注入量和注入率进行设置，然后对电路进行初始化编程配置，开始辐照。此时如果检测到电流异常且器件锁定，记录当前异常电流值和锁定次数，关闭辐照，断电；如果没有检测到电流异常或检测到电流异常但器件没有锁定，则记录当前电流继续实验。检测到粒子注入量达到设定值时，关闭辐照，断电。
| No. | test mode | particle | LET/(MeV·c | the total number of particles/(×1 | SEL number | storage unit SEU | logical unit SEU |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 |
Trigger 10 MHz | Ta | 79 | 1.0 | 0 | 0 | 135 |
| 2 | Ta | 79 | 1.0 | 0 | 0 | 201 | |
| 3 | Ta | 79 | 1.0 | 0 | 0 | 147 | |
| 4 | Ta | 79 | 1.0 | 0 | 0 | 183 | |
| 5 | Ta | 79 | 1.0 | 0 | 0 | 104 |
本文提出的采用国产反熔丝FPGA为核心的波控单元已在项目中应用，为同类型有国产化需求的航天类项目研制提供了参考。同时随着我国航空航天工程对国产化电路产品的需求愈加旺盛，大型相控阵系统需求也愈发增多，而相应的波控单元阵列愈加复杂，目前已有的电路规模在应用上将捉襟见肘，开发更大规模的国产反熔丝FPGA将更加迫切，针对目前国内国际局势也势在必行。
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