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，寫入時(shí)序如圖2所示,。圖中CS是片選使能信號(hào),，WE為寫入使能，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)