FPGA调研报告-FPGA在航天领域的应用.doc

FPGA技术调研：FPGA在航天领域的应用 1．引言 现 场 可 编 程 门 阵 列 ( Field programmable gatearrays， FPGA) 是一种可编程使用的信号处理器件，用户可通过改变配置信息对其功能进行定义， 以满足设计需求。 与传统数字电路系统相比， FPGA 具有可编程、 高集成度、 高速和高可靠性等优点， 通过配置器件内部的逻辑功能和输入/输出端口， 将原来电路板级的设计放在芯片中进行， 提高了电路性能，降低了印刷电路板设计的工作量和难度， 有效提高了设计的灵活性和效率。 设计者采用 FPGA 的优点 (1) 减少对所需器件品种的需求， 有助于降低电路板的体积重量； (2) 增加了电路板完成后再修改设计的灵活性； (3) 设计修改灵活， 有助于缩短产品交付时间； (4) 器件减少后， 焊点减少， 从而可提高可靠度。尤其值得一提的是， 在电路运行频率越来越高的情况下， 采用 FPGA 实现的复杂电路功能减小了板级电路上 PCB 布线不当带来的电磁干扰问题， 有助于保证电路性能。 FPGA 也 是 现 阶 段 航 天 专 用 集 成 电 路 （ASIC, Application specific integrated circuit） 的最佳实现途径。 使用商用现货 FPGA 设计微小卫星等航天器的星载电子系统， 可以降低成本。 利用 FPGA 内丰富的逻辑资源， 进行片内冗余容错设计， 是满足星载电子系统可靠性要求的一个好办法。目前， 随着对卫星技术的不断发展、 用户技术指标的不断提高以及市场竞争的日益激烈， 功能度集成和轻小型化已经成为星载电子设备的一个主流趋势。 采用小型化技术能够使星载电子设备体积减小、 重量减轻、 功耗降低， 提高航天器承载有效载荷的能力以及功效比。 采用高功能集成的小型化器件， 可以减小印制板的尺寸， 减少焊盘数量， 还有利于充分利用冗余技术提高系统的容错能力。 星载数字电路小型化的关键是器件选用， 包括嵌人式高集成度器件的选用， 高密度可编程逻辑器件 FPGA 的选用是一个重要的实现方式。 目前， 在航天遥感器的设计中， FPGA 被广泛地应用于主控系统 CPU 的功能扩展CCD 图像传感器驱动时序的产生以及高速数据采集。本文回顾了 FPGA 的发展， 分析了其主要结构，并对航天应用 FPGA 进行了综述。 指出了航天应用对FPGA 及其设计的要求， 重点分析了空间辐射效应对FPGA 可靠性的影响， 并总结了提高 FPGA 抗辐照的可靠性设计方法。 最后， 对航天应用 FPGA 的发展进行了展望。2. FPGA 航天应用 可编程逻辑器件以其设计方便、 设计便于修改、功能易于扩展， 在航天、 空间领域中得到了越来越广泛的应用。 一种是以 Actel 公司产品为代表的一次编程反熔丝型 FPGA， 一种是以 Xilinx 公司产品为代表的基于 SRAM 的可重新配置的 FPGA。 2.1 航天应用 FPGA 的分类 FPGA 按其编程性， 目前具有航天成功应用经验的 FPGA 主要有两类： 一类是只能编程一次的一次性编程 FPGA。 另一类是能多次编程的可重编程 FPGA,如 SRAM 型 FPGA、 Flash 型 FPGA， 这类 FPGA 一般具有在系统编程 (ISP, In system programming) 能力。 2.1.1 一次性编程 FPGA 此类产品采用反熔丝开关元件， 具有体积小、版图面积小、 低抗辐射抗干扰、 互连线特性阻抗低的特点， 不需要外接 PROM 或 EPROM， 掉电后电路的配置数据不会丢失， 上电后即可工作， 适用于航天、 军事、 工业等各领域。 这类产品中， 具有代表性并已取得航天应用成功经验的产品是 ACTEL 公司的抗辐射加固反熔丝型 FPGA。与传统 FPGA 平面型散布 的 逻 辑 模 块 、 连 线 、开关矩阵的布局不同， 反熔丝型 FPGA 采用紧凑、 网格化密集布局的平面逻辑模块结构。 利用位于上下逻辑模块层之间、 金属对金属的可编程反熔丝内部连接元件实现器件的连接， 减小了通道和布线资源所占用的空间。 在编程之前， 该连接元件为开路状态， 编程时， 反熔丝结构局部的小区域内具有足够高的电流密度， 瞬间产生较大的热功耗， 融化绝缘层介质形成永久性通路。2.1.2 可重编程 FPGA 此类产品采用 SRAM 或 Flash EPROM 控制的开关元件， 其优点是可反复编程。 配置程存放在 FPGA外的存储器中， 系统上电时， 配置程加载到 FPGA中完成硬件功能的定制化。 其中， SRAM 型 FPGA 还可以在系统运行中改变配置， 实现系统功能的动态重构。 但是， 此类 FPGA 掉电后存储的用户配置逻辑会丢失