Fpga单粒子翻转故障模拟测试系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及卫星或者飞行器载荷中为了验证FPGA (Field-Programmable GateArray，现场可编程门阵列)在轨监控功能，而对FPGA单粒子翻转故障进行模拟的测试系统和方法，属于星载电子设备可靠性领域。
【背景技术】
[0002]随着飞行轨道高度的增加，卫星或者飞行器中的电子设备更容易受到高能粒子的影响，特别是FPGA内部的配置程序发生单粒子翻转后，当达到一定数量后会导致FPGA功能失效。FPGA在轨监控周期性的监测FPGA配置程序是否发生翻转和动态刷新配置区域，需要通过地面模拟单粒子翻转故障来验证FPGA在轨监控是否正确。
[0003]目前，地面多采用重粒子照射FPGA和故障注入的方法模拟单粒子翻转故障。采用重粒子照射FPGA方法的故障模拟试验，具有测试成本高、加速器预约和被测器件不能重复利用的缺点。而采用故障注入的方法，则需要建立一套复杂的测试系统，被测对象是FPGA，不能验证在轨监控程序的功能。所以，以上方法都没有解决在FPGA在轨监控的硬件平台上实现功能验证的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种FPGA单粒子翻转故障模拟测试系统和方法，能够保证FPGA在轨监控功能的准确；测试覆盖性好，成本低，花费时间少，在工程上实现技术难度低，便于在项目初期开展调试验证。
[0005]为了达到上述目的，本发明提供一种FPGA单粒子翻转故障模拟测试系统，其包含:配置文件生成比较模块；FPGA配置程序在轨监控平台；配置文件注入模块，其连接在所述的配置文件生成比较模块和FPGA配置程序在轨监控平台之间；故障分析模块，其与所述的FPGA配置程序在轨监控平台连接。
[0006]所述的配置文件生成比较模块采用上位计算机实现，生成参考配置文件和新配置文件，并比较两者的翻转位数；所述的配置文件注入模块采用FPGA下载编程电缆实现，其与所述的上位计算机连接，将参考配置文件和新配置文件注入到FPGA配置程序在轨监控平台中。
[0007]所述的FPGA配置程序在轨监控平台包含:配置芯片，其与所述的FPGA下载编程电缆连接，接收参考配置文件；被监控FPGA，其分别与所述的FPGA下载编程电缆以及配置芯片连接，分别接收新配置文件和参考配置文件；时钟芯片，其与所述的被监控FPGA连接，发送时钟信号至被监控FPGA，该被监控FPGA根据参考配置文件和新配置文件，分别对时钟信号进行二分频处理和四分频处理；被测在轨监控模块，其分别与所述的配置芯片以及被监控FPGA连接，针对被监控FPGA进行数据监控和数据刷新。
[0008]所述的故障分析模块包含:示波器，其与所述的被监控FPGA连接，测量分频后时钟信号的频率；数据监控输出模块，其与所述的被测在轨监控模块连接，显示数据监控的结果O
[0009]本发明还提供一种FPGA单粒子翻转故障模拟测试方法，包含以下步骤:
51、配置文件生成比较模块生成参考配置文件和新配置文件，并比较得到这两个文件的翻转位数；
52、通过配置文件注入模块，将参考配置文件和新配置文件分别注入到FPGA配置程序在轨监控平台中的被监控FPGA中，并生成分频信号；
53、启动FPGA配置程序在轨监控平台中的被测在轨监控模块，比较得到参考配置文件和新配置文件的翻转位数，并刷新被监控FPGA中的文件数据；
54、通过故障分析模块得出在轨监控验证结果。
[0010]所述的SI中，具体包含以下步骤:
511、上位计算机生成参考配置文件，具有对输入时钟信号进行二分频的功能；
512、上位计算机生成新配置文件，具有对输入时钟信号进行四分频的功能；
513、解析参考配置文件，保留其有效数据部分；解析新配置文件，保留其有效数据部分；将参考配置文件的有效数据部分与新配置文件的有效数据部分的每个比特位进行差异比较，计算得到这两个文件的单粒子翻转位数Ml。
[0011]所述的S2中，具体包含以下步骤:
521、通过JTAG方式将参考配置文件通过FPGA下载编程电缆注入到配置芯片中，并利用FPGA上电加载的特性，将参考配置文件加载到被监控FPGA中，该被监控FPGA受参考配置文件的控制，对由时钟芯片输入的时钟信号进行二分频处理；
522、通过JTAG方式将新配置文件通过FPGA下载编程电缆直接注入到被监控FPGA中，使得被监控FPGA中加载的参考配置文件被新配置文件代替，该被监控FPGA受新配置文件的控制，对由时钟芯片输入的时钟信号进行四分频处理，模拟FPGA受到单粒子翻转影响，导致原有的功能发生改变；
523、使用示波器测量由被监控FPGA进行四分频处理后的时钟信号的频率F1。
[0012]所述的S3中，具体包含以下步骤:
531、启动被测在轨监控模块的数据监测功能，从被监控FPGA中读取新配置文件，从配置芯片中读取参考配置文件，并由被测在轨监控模块对两个文件的有效数据部分的每个比特位进行差异比较，检测得到这两个文件的单粒子翻转位数M2 ;
532、启动被测在轨监控模块的数据刷新功能，将配置芯片中的参考配置文件加载到被监控FPGA中，使得模拟FPGA受到单粒子翻转影响的新配置文件被替换掉；该被监控FPGA受参考配置文件的控制，对由时钟芯片输入的时钟信号进行二分频处理；
533、使用示波器测量由被监控FPGA进行二分频处理后的时钟信号的频率F2。
[0013]所述的S4中，具体包含以下步骤:
541、判断S13中计算得到的单粒子翻转位数Ml与S31中检测得到的单粒子翻转位数M2是否一致；如是，则说明被测在轨监控模块22的数据监测功能运行正确；如否，则说明被测在轨监控模块的数据监测功能运行不正确；并由数据监控输出模块显示；
542、判断S33中测量得到的频率F2是否为S23中测量得到的频率Fl的2倍，如是，则说明被测在轨监控模块的数据刷新功能运行正常；如否，则说明被测在轨监控模块的数据刷新功能出现故障；并由数据监控输出模块显示。
[0014]所述的S13以及S31中，对参考配置文件和新配置文件的单粒子翻转位数进行比较的步骤，具体包含以下步骤:
SA、按照二进制方式分别读取参考配置文件以及新配置文件的数据流；
SB、采用滑窗方式，找出参考配置文件以及新配置文件的数据流中的同步帧；
SC、分别解析参考配置文件以及新配置文件的同步帧中的指令帧；
SD、分别判断参考配置文件以及新配置文件的指令帧中是否包含有效的帧数据；如是，则保存有效数据，并执行SE ;如否，则直接执行SE ；
SE、分别判断是否到达参考配置文件以及新配置文件的数据流的结尾；如是，则对参考配置文件的有效数据与新配置文件的有效数据的每个比特位进行差异比较，得到单粒子翻转位数；如否，则返回继续执行SC。
[0015]与现有技术相比，本发明提供的FPGA单粒子翻转故障模拟测试系统和方法，具有以下优点和有益效果:1、能够保证FPGA在轨监控功能的准确，从而提高可靠性；2、测试成本低，花费时间少，在工程上实现技术难度低，便于在项目初期开展调试验证；3、测试覆盖性好，包括了 FPGA在轨监控的数据监控功能和数据刷新功能，并且测试结果直观清楚。
【附图说明】
[0016]图1为本发明中的FPGA单粒子翻转故障模拟测试系统的功能框图；
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