Fpga單粒子翻轉故障模擬測試系統和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及衛星或者飛行器載荷中為了驗證FPGA (Field-Programmable GateArray，現場可編程門陣列)在軌監控功能，而對FPGA單粒子翻轉故障進行模擬的測試系統和方法，屬于星載電子設備可靠性領域。
【背景技術】
[0002]隨著飛行軌道高度的增加，衛星或者飛行器中的電子設備更容易受到高能粒子的影響，特別是FPGA內部的配置程序發生單粒子翻轉后，當達到一定數量后會導致FPGA功能失效。FPGA在軌監控周期性的監測FPGA配置程序是否發生翻轉和動態刷新配置區域，需要通過地面模擬單粒子翻轉故障來驗證FPGA在軌監控是否正確。
[0003]目前，地面多采用重粒子照射FPGA和故障注入的方法模擬單粒子翻轉故障。采用重粒子照射FPGA方法的故障模擬試驗，具有測試成本高、加速器預約和被測器件不能重復利用的缺點。而采用故障注入的方法，則需要建立一套復雜的測試系統，被測對象是FPGA，不能驗證在軌監控程序的功能。所以，以上方法都沒有解決在FPGA在軌監控的硬件平臺上實現功能驗證的問題。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種FPGA單粒子翻轉故障模擬測試系統和方法，能夠保證FPGA在軌監控功能的準確；測試覆蓋性好，成本低，花費時間少，在工程上實現技術難度低，便于在項目初期開展調試驗證。
[0005]為了達到上述目的，本發明提供一種FPGA單粒子翻轉故障模擬測試系統，其包含:配置文件生成比較模塊；FPGA配置程序在軌監控平臺；配置文件注入模塊，其連接在所述的配置文件生成比較模塊和FPGA配置程序在軌監控平臺之間；故障分析模塊，其與所述的FPGA配置程序在軌監控平臺連接。
[0006]所述的配置文件生成比較模塊采用上位計算機實現，生成參考配置文件和新配置文件，并比較兩者的翻轉位數；所述的配置文件注入模塊采用FPGA下載編程電纜實現，其與所述的上位計算機連接，將參考配置文件和新配置文件注入到FPGA配置程序在軌監控平臺中。
[0007]所述的FPGA配置程序在軌監控平臺包含:配置芯片，其與所述的FPGA下載編程電纜連接，接收參考配置文件；被監控FPGA，其分別與所述的FPGA下載編程電纜以及配置芯片連接，分別接收新配置文件和參考配置文件；時鐘芯片，其與所述的被監控FPGA連接，發送時鐘信號至被監控FPGA，該被監控FPGA根據參考配置文件和新配置文件，分別對時鐘信號進行二分頻處理和四分頻處理；被測在軌監控模塊，其分別與所述的配置芯片以及被監控FPGA連接，針對被監控FPGA進行數據監控和數據刷新。
[0008]所述的故障分析模塊包含:示波器，其與所述的被監控FPGA連接，測量分頻后時鐘信號的頻率；數據監控輸出模塊，其與所述的被測在軌監控模塊連接，顯示數據監控的結果O
[0009]本發明還提供一種FPGA單粒子翻轉故障模擬測試方法，包含以下步驟:
51、配置文件生成比較模塊生成參考配置文件和新配置文件，并比較得到這兩個文件的翻轉位數；
52、通過配置文件注入模塊，將參考配置文件和新配置文件分別注入到FPGA配置程序在軌監控平臺中的被監控FPGA中，并生成分頻信號；
53、啟動FPGA配置程序在軌監控平臺中的被測在軌監控模塊，比較得到參考配置文件和新配置文件的翻轉位數，并刷新被監控FPGA中的文件數據；
54、通過故障分析模塊得出在軌監控驗證結果。
[0010]所述的SI中，具體包含以下步驟:
511、上位計算機生成參考配置文件，具有對輸入時鐘信號進行二分頻的功能；
512、上位計算機生成新配置文件，具有對輸入時鐘信號進行四分頻的功能；
513、解析參考配置文件，保留其有效數據部分；解析新配置文件，保留其有效數據部分；將參考配置文件的有效數據部分與新配置文件的有效數據部分的每個比特位進行差異比較，計算得到這兩個文件的單粒子翻轉位數Ml。
[0011]所述的S2中，具體包含以下步驟:
521、通過JTAG方式將參考配置文件通過FPGA下載編程電纜注入到配置芯片中，并利用FPGA上電加載的特性，將參考配置文件加載到被監控FPGA中，該被監控FPGA受參考配置文件的控制，對由時鐘芯片輸入的時鐘信號進行二分頻處理；
522、通過JTAG方式將新配置文件通過FPGA下載編程電纜直接注入到被監控FPGA中，使得被監控FPGA中加載的參考配置文件被新配置文件代替，該被監控FPGA受新配置文件的控制，對由時鐘芯片輸入的時鐘信號進行四分頻處理，模擬FPGA受到單粒子翻轉影響，導致原有的功能發生改變；
523、使用示波器測量由被監控FPGA進行四分頻處理后的時鐘信號的頻率F1。
[0012]所述的S3中，具體包含以下步驟:
531、啟動被測在軌監控模塊的數據監測功能，從被監控FPGA中讀取新配置文件，從配置芯片中讀取參考配置文件，并由被測在軌監控模塊對兩個文件的有效數據部分的每個比特位進行差異比較，檢測得到這兩個文件的單粒子翻轉位數M2 ;
532、啟動被測在軌監控模塊的數據刷新功能，將配置芯片中的參考配置文件加載到被監控FPGA中，使得模擬FPGA受到單粒子翻轉影響的新配置文件被替換掉；該被監控FPGA受參考配置文件的控制，對由時鐘芯片輸入的時鐘信號進行二分頻處理；
533、使用示波器測量由被監控FPGA進行二分頻處理后的時鐘信號的頻率F2。
[0013]所述的S4中，具體包含以下步驟:
541、判斷S13中計算得到的單粒子翻轉位數Ml與S31中檢測得到的單粒子翻轉位數M2是否一致；如是，則說明被測在軌監控模塊22的數據監測功能運行正確；如否，則說明被測在軌監控模塊的數據監測功能運行不正確；并由數據監控輸出模塊顯示；
542、判斷S33中測量得到的頻率F2是否為S23中測量得到的頻率Fl的2倍，如是，則說明被測在軌監控模塊的數據刷新功能運行正常；如否，則說明被測在軌監控模塊的數據刷新功能出現故障；并由數據監控輸出模塊顯示。
[0014]所述的S13以及S31中，對參考配置文件和新配置文件的單粒子翻轉位數進行比較的步驟，具體包含以下步驟:
SA、按照二進制方式分別讀取參考配置文件以及新配置文件的數據流；
SB、采用滑窗方式，找出參考配置文件以及新配置文件的數據流中的同步幀；
SC、分別解析參考配置文件以及新配置文件的同步幀中的指令幀；
SD、分別判斷參考配置文件以及新配置文件的指令幀中是否包含有效的幀數據；如是，則保存有效數據，并執行SE ;如否，則直接執行SE ；
SE、分別判斷是否到達參考配置文件以及新配置文件的數據流的結尾；如是，則對參考配置文件的有效數據與新配置文件的有效數據的每個比特位進行差異比較，得到單粒子翻轉位數；如否，則返回繼續執行SC。
[0015]與現有技術相比，本發明提供的FPGA單粒子翻轉故障模擬測試系統和方法，具有以下優點和有益效果:1、能夠保證FPGA在軌監控功能的準確，從而提高可靠性；2、測試成本低，花費時間少，在工程上實現技術難度低，便于在項目初期開展調試驗證；3、測試覆蓋性好，包括了 FPGA在軌監控的數據監控功能和數據刷新功能，并且測試結果直觀清楚。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明中的FPGA單粒子翻轉故障模擬測試系統的功能框圖；
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