文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.014
中文引用格式： 李夢(mèng)良，樂(lè)立鵬，張建軍，等. 星載65 nm抗輻射GNSS接收機(jī)ASIC的SEFI實(shí)驗(yàn)方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(1)：53-56，59.
英文引用格式： Li Mengliang，Yue Lipeng，Zhang Jianjun，et al. The SEFI test method of 65 nm radiation-hardened on-board GNSS receiver ASIC[J].Application of Electronic Technique，2017，43(1)：53-56，59.
0 引言
全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)是所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的統(tǒng)稱，包括美國(guó)的GPS、中國(guó)的北斗、俄羅斯的格洛納斯以及歐盟的伽利略，它是面向全球的，利用其中一個(gè)或者多個(gè)系統(tǒng)的無(wú)線電導(dǎo)航信號(hào)，為空間和地面用戶提供定位、定時(shí)、測(cè)距、導(dǎo)航等服務(wù)。隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，GNSS技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，而隨之不斷提升的是用戶對(duì)于GNSS終端性能的要求，特別是功耗、性能、體積方面的需求日益苛刻，對(duì)國(guó)產(chǎn)器件提出了新的挑戰(zhàn)。
星載抗輻射GNSS接收機(jī)ASIC芯片是GNSS接收機(jī)小型化、低功耗與國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵。隨著制造工藝的提高，ASIC的規(guī)模越來(lái)越大，功能越來(lái)越復(fù)雜，極限頻率也逐漸升高；但是與此同時(shí)ASIC的特征尺寸越來(lái)越小，柵長(zhǎng)度、節(jié)點(diǎn)尺寸、深度、氧化層的厚度等都相應(yīng)減小，PN結(jié)臨界電荷也大幅下降，更高的頻率、更低的工作電壓都使得ASIC對(duì)單粒子效應(yīng)（Single Event Effect，SEE）更加敏感[1]。軌道環(huán)境中充滿了來(lái)自宇宙的各種高能離子——質(zhì)子/電子/α離子/重離子/γ射線等，它們所帶來(lái)的SEE嚴(yán)重影響空間器件的可靠性。因此，在星載抗輻射GNSS接收機(jī)ASIC研制過(guò)程中，空間器件的可靠性設(shè)計(jì)，尤其是抗輻射加固設(shè)計(jì)與驗(yàn)證尤為重要。
在驗(yàn)證抗輻射加固器件的可靠性時(shí)，對(duì)于SEFI的檢測(cè)往往比較困難。因?yàn)椴煌腁SIC其功能不一樣，沒(méi)有統(tǒng)一的判定方法。為此，本文根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能和性能指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)65 nm星載抗輻射GNSS接收機(jī)ASIC的SEFI實(shí)驗(yàn)方法。
1 設(shè)計(jì)原理
1.1 芯片工作原理
星載抗輻射GNSS接收機(jī)ASIC在國(guó)內(nèi)首次采用65 nm七層金屬的硅柵CMOS工藝，抗輻射標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)，包含SRAM 結(jié)構(gòu)，主要完成導(dǎo)航信號(hào)的前置低通濾波、偽碼/載波捕獲、偽碼/載波剝離與相干積分、時(shí)鐘/同步信號(hào)等脈沖產(chǎn)生、串口通信等功能，為GNSS信號(hào)控制解算數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，DSP)提供GNSS中頻信號(hào)的載波和偽碼觀測(cè)量，為其他芯片輸出同步時(shí)鐘脈沖。芯片兼容北斗和GPS導(dǎo)航信號(hào)，內(nèi)部包含：一個(gè)GPS L1C/A信號(hào)捕獲引擎和一個(gè)北斗B1I信號(hào)捕獲引擎，16個(gè)北斗雙頻跟蹤通道(B1I和B3I)，16個(gè)GPS雙頻通道(L1C/A和L2C/L2P)。外部DSP可以通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口(External Memory Interface，EMIF)對(duì)芯片進(jìn)行參數(shù)配置，使得ASIC芯片的應(yīng)用變得更加靈活。星載抗輻射GNSS接收機(jī)ASIC芯片結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
1.2 測(cè)試輸入信號(hào)
根據(jù)1.1小節(jié)對(duì)芯片功能的描述，如果要讓ASIC正常工作，必須輸入的激勵(lì)信號(hào)包括：GPS L1C/A數(shù)字中頻信號(hào)、GPS L2C數(shù)字中頻信號(hào)、L2P數(shù)字中頻信號(hào)、B1I數(shù)字中頻信號(hào)、B3I數(shù)字中頻信號(hào)、全局配置信號(hào)(包括AD通道選擇)、RS422/RS232配置信號(hào)、時(shí)鐘配置信息、LVDS接口和前置低通濾波配置參數(shù)、捕獲/跟蹤引擎初始化參數(shù)。參數(shù)和控制寄存器的配置主要是通過(guò)EMIF接口，對(duì)ASIC內(nèi)部相應(yīng)的D觸發(fā)器或者SRAM寫(xiě)入相應(yīng)的信息實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)方法相對(duì)簡(jiǎn)單并且統(tǒng)一。為了能夠?qū)SIC芯片的核心功能——捕獲和跟蹤性能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)測(cè)試，芯片外部就需要產(chǎn)生5種模擬的數(shù)字中頻信號(hào)，分4路進(jìn)入芯片內(nèi)部進(jìn)行處理。但是，實(shí)際上在某個(gè)參數(shù)條件下，一個(gè)跟蹤通道或者捕獲引擎只能對(duì)4路當(dāng)中的一路進(jìn)行處理。不失一般性，這里可以選擇第0路的5種數(shù)字中頻信號(hào)作為芯片輸入，并將芯片內(nèi)部所有跟蹤和捕獲引擎配置為處理第0路輸入的模式。這5種數(shù)字中頻輸入由FPGA實(shí)時(shí)發(fā)生，產(chǎn)生算法參考文獻(xiàn)[2-4]，并連續(xù)不斷地送給待測(cè)芯片。
1.3 芯片內(nèi)部配置
對(duì)芯片內(nèi)部控制寄存器和數(shù)據(jù)SRAM的配置，主要是通過(guò)EMIF接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。EMIF接口可以對(duì)芯片內(nèi)部多個(gè)寄存器和SRAM的配置，寫(xiě)入時(shí)序如圖2所示。圖中CS是片選使能信號(hào)，WE為寫(xiě)入使能，ADDR為15位地址總線，DB是32位數(shù)據(jù)總線，使能信號(hào)均為低電平有效。為了保證寫(xiě)入數(shù)據(jù)的正確性，CS使能有效時(shí)間應(yīng)該寬于WE，避免寫(xiě)入數(shù)據(jù)失敗。
1.4 數(shù)據(jù)判讀
對(duì)于芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)的讀取，仍然通過(guò)EMIF接口進(jìn)行。通過(guò)對(duì)芯片內(nèi)部不同地址的寄存器組的讀取，可以獲知當(dāng)前芯片的工作狀態(tài)，特別是捕獲和跟蹤通道的輸出數(shù)據(jù)是否因?yàn)閱瘟Ｗ有?yīng)而發(fā)生了異常。圖3給出了EMIF接口的數(shù)據(jù)讀取時(shí)序圖，其中OE是EMIF接口的輸出使能信號(hào)，低有效。此時(shí)，32位數(shù)據(jù)總線DB作為ASIC芯片的輸出，將會(huì)有一定的時(shí)延T_o，T_o可能會(huì)有2-3個(gè)時(shí)鐘周期。
在沒(méi)有輻照的條件下，兩片相同的ASIC芯片如果輸入相同，那么輸出也應(yīng)該是一樣的。在單粒子試驗(yàn)中，用兩片相同的ASIC芯片A和B，給A/B兩個(gè)芯片輸入相同的激勵(lì)。然后，用輻照源照射A芯片，同時(shí)讀取A/B兩個(gè)芯片的輸出數(shù)據(jù)。設(shè)A片輸出為yA，B片輸出為yB，則：
(1)若|yA|不等于|yB|，那么必定發(fā)生SEU事件；
(2)若|yA|>2|yB|或者|yA|<|yB|/2，且3秒內(nèi)無(wú)法恢復(fù)，則發(fā)生一次SEFI。
2 實(shí)現(xiàn)方案
星載抗輻射GNSS接收機(jī)ASIC芯片單粒子實(shí)驗(yàn)電路采用一片Altera公司的Cyclone IV系列FPGA進(jìn)行激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生以及芯片輸出判讀，當(dāng)發(fā)生一次SEU或SEFI時(shí)，相應(yīng)計(jì)數(shù)器值加一；SEU和SEFI的次數(shù)計(jì)數(shù)值通過(guò)FPGA的RS232接口發(fā)送給上位機(jī)；兩片相同的ASIC樣片分別作為實(shí)驗(yàn)片A和參考片B，整個(gè)實(shí)驗(yàn)用PCB板電路連接如圖4所示。對(duì)于芯片而言，在正常工作時(shí)，可測(cè)性測(cè)試模式的控制端tst_rst和tst_set需要接3.3 V高電平。
在FPGA復(fù)位以后，F(xiàn)PGA給芯片A/B以及FPGA內(nèi)的測(cè)試激勵(lì)生成部分提供時(shí)鐘clk_in和復(fù)位信號(hào)GlbRst，復(fù)位完成后，測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程如下：
(1)FPGA配置兩個(gè)芯片的全局控制信號(hào)，包括時(shí)鐘同步脈沖、捕獲/跟蹤通道選擇、RS422與RS232接口參數(shù)配置、LVDS接口參數(shù)配置、前置FIR濾波器系數(shù)配置；
(2)B1I捕獲引擎參數(shù)寄存器配置，本地偽碼存儲(chǔ)SRAM配置；
(3)B1I/B3I跟蹤通道參數(shù)寄存器配置，本地偽碼存儲(chǔ)SRAM配置；
(4)L1C/A捕獲引擎參數(shù)寄存器配置，本地偽碼存儲(chǔ)SRAM配置；
(5)L1C/A跟蹤通道參數(shù)寄存器配置；
(6)L2C和L2P跟蹤通道參數(shù)寄存器配置；
(7)使能芯片所有捕獲跟蹤通道，開(kāi)始進(jìn)入工作狀態(tài)；
(8)FPGA開(kāi)始持續(xù)發(fā)送B1I/B3I/L1CA/L2P/L2C數(shù)字中頻輸入；
(9)FPGA每隔1.3 ms(系統(tǒng)時(shí)鐘61 MHz)讀取一次芯片A/B的所有通道的捕獲和跟蹤結(jié)果，并依照1.3小節(jié)所述判據(jù)進(jìn)行判別；
(10)FPGA每讀10輪，則同時(shí)對(duì)芯片A/B的捕獲引擎進(jìn)行一次初始化。
3 全功能SEFI實(shí)驗(yàn)測(cè)定
星載抗輻射GNSS接收機(jī)ASIC單粒子輻照實(shí)驗(yàn)電路板模擬了芯片在用戶單機(jī)上的全功能工作狀態(tài)，這保證了SEFI實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠度，實(shí)驗(yàn)電路板實(shí)物圖如圖5所示，左邊是底視圖，右邊為頂視圖。
整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由星載抗輻射GNSS接收機(jī)ASIC單粒子輻照實(shí)驗(yàn)電路板、電源控制模塊、多用表、路由器、安捷倫程控電源和兩臺(tái)筆記本PC機(jī)(PC1和PC2)組成。被測(cè)器件(芯片A/B)置于實(shí)驗(yàn)電路板上，實(shí)驗(yàn)電路板放在粒子加速器裝置上進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)電路板通過(guò)串口與電源控制器以及PC1連接；程控電源、多用表、路由器通過(guò)網(wǎng)線與PC1相連；PC1控制電源設(shè)備、多用表、電源控制器和實(shí)驗(yàn)電路板上的FPGA以及接收實(shí)驗(yàn)電路板通過(guò)串口傳送來(lái)的信息；通過(guò)串聯(lián)多用表來(lái)檢測(cè)被測(cè)器件的工作電流，當(dāng)發(fā)生單粒子栓鎖事件時(shí)，程控電源可自動(dòng)斷電；PC2通過(guò)網(wǎng)線與試驗(yàn)室內(nèi)的PC1相連并遠(yuǎn)程控制PC1；電源控制模塊通過(guò)USB數(shù)據(jù)線與PC1連接。系統(tǒng)連接圖如圖6所示。
單粒子功能中斷測(cè)試時(shí)，電路工作頻率61.38 MHz或20 MHz，若SEFI功能中斷數(shù)達(dá)到規(guī)定值，或離子總注量達(dá)到107粒子/cm2(以先到者為準(zhǔn))，則停止輻照，變換試驗(yàn)粒子，繼續(xù)進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)。
采用上述測(cè)試方案，通過(guò)輻照實(shí)驗(yàn)，實(shí)際測(cè)得單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)閾值≥15 MeV·cm2/mg，單粒子鎖定(SEL)閾值≥91 MeV·cm2/mg，單粒子功能中斷(SEFI)錯(cuò)誤率：GEO軌道優(yōu)于5×10-5次/天·器件，滿足指標(biāo)要求。
4 結(jié)論
本文所述輻照實(shí)驗(yàn)方案電路簡(jiǎn)單可靠，易于實(shí)現(xiàn)，不需要復(fù)雜的單機(jī)運(yùn)行設(shè)備就可以讓芯片正確地運(yùn)行在全功能狀態(tài)，大大簡(jiǎn)化了SEFI實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜度，縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期。實(shí)驗(yàn)證明：國(guó)內(nèi)首款星載65 nm抗輻射加固GNSS接收機(jī)基帶處理ASIC 芯片功能/性能滿足用戶設(shè)計(jì)預(yù)期，SEFI錯(cuò)誤率滿足指標(biāo)要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 邢克飛.星載信號(hào)處理平臺(tái)單粒子效應(yīng)檢測(cè)與加固技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.
[2] 謝剛．全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)原理[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2013.
[3] 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件(2.0版).[EB/OL].[2013-12].www.beidou.gov.cn.
[4] Lu Hui，Niu Ruiyao.Generation method of GPS L1C codes based on quadratic reciprocity law[J].Journal of Systems Engineering and Electronics，2013，24(2)：189-195.
作者信息:
李夢(mèng)良，樂(lè)立鵬，張建軍，鄭宏超
(中國(guó)航天電子技術(shù)研究院772所，北京100076)