夏加高, 李文新, 朱 博, 王世佳, 王志龍

(1.蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000; 2.蘭州工業(yè)學(xué)院 基礎(chǔ)學(xué)科部，蘭州 730000)

?

工業(yè)以太網(wǎng)芯片單粒子實驗測試系統(tǒng)研制

夏加高1, 李文新1, 朱 博1, 王世佳1, 王志龍2

(1.蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000; 2.蘭州工業(yè)學(xué)院 基礎(chǔ)學(xué)科部，蘭州 730000)

分析了單粒子效應(yīng)對以太網(wǎng)芯片KSZ8851-16MLLJ的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，為全面了解以太網(wǎng)芯片在單粒子實驗中的狀態(tài)，研制出工業(yè)以太網(wǎng)單粒子實驗測試系統(tǒng)；通過測試系統(tǒng)的實驗得出相關(guān)參數(shù)，為以太網(wǎng)芯片在航天器上的應(yīng)用提供技術(shù)參考；根據(jù)單粒子實驗的現(xiàn)場情況，研制基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、控制系統(tǒng)，將測試數(shù)據(jù)實時地傳輸?shù)竭h(yuǎn)程觀測終端；測試結(jié)果表明：單粒子實驗測試系統(tǒng)可以對以太網(wǎng)芯片進(jìn)行全面地監(jiān)測，并有效地保護該芯片的安全性。

單粒子；以太網(wǎng)芯片；測試系統(tǒng)

0 引言

隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，航天器的數(shù)據(jù)通訊速度和流量越來越大，使用以太網(wǎng)通訊可以滿足這個發(fā)展要求。但是，目前還沒有宇航級的以太網(wǎng)芯片可以使用，只有工業(yè)級的以太網(wǎng)芯片可供使用，實驗樣品選用的是麥瑞半導(dǎo)體公司的KSZ8851-16MLLJ以太網(wǎng)芯片，其在空間環(huán)境中適應(yīng)性尚不清楚，因此必須在地面進(jìn)行空間輻射環(huán)境模擬，對其抗單粒子效應(yīng)進(jìn)行評價，為航天工程應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。在進(jìn)行工業(yè)以太網(wǎng)芯片單粒子實驗前，需要研制出工業(yè)以太網(wǎng)單粒子實驗測試系統(tǒng)。一般情況下，電子元器件在單粒子實驗中只監(jiān)測器件的電流，根據(jù)器件電流發(fā)生躍變進(jìn)情況計算其單粒子鎖定截面[1-5]，得出是否可以在航天器上使用的結(jié)論。而以太網(wǎng)芯片實驗只得出單粒子鎖定截面，不能全面反映空間輻射條件下的工作狀態(tài)，這需要測試系統(tǒng)較為全面地反映實驗過程中的狀態(tài)，主要包括不同輻射水平下的通訊誤碼率、電流、電壓、頻率等。

1 KSZ8851-16MLLJ的結(jié)構(gòu)及其單粒子效應(yīng)影響分析

以太網(wǎng)芯片KSZ8851-16MLLJ是麥瑞半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品[6]，具有8/16/32位和SPI主機接口的單端口嵌入式控制芯片，該芯片支持大端和小端處理器，可提供最快100 Mbps的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度。KSZ8851-16MLLJ具有接口方式靈活、處理器適應(yīng)性強、網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快的特點，這是選擇其作為航天工程應(yīng)用的重要原因。

KSZ8851-16MLLJ的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖見圖1。KSZ8851-16MLLJ芯片內(nèi)部的數(shù)字單元主要可分為三類：RAM類、EPROM類和REG(寄存器)類。以太芯片內(nèi)的接收和發(fā)送緩存區(qū)屬于RAM類；存放MAC地址的EEPROM屬于EPROM類；PLL Clock(鎖相環(huán)控制單元)、Power Management(電源管理單元)、 Cable Diagnostic(電纜診斷單元)、IO Interface Control Management(IO接口控制管理單元)等屬于REG類。

圖1 KSZ8851-16MLLJ芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

空間輻射效應(yīng)嚴(yán)重影響航天器的在軌運行安全，空間輻射危害主要包括單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)。在NASA 統(tǒng)計的1589次衛(wèi)星異常中，確定由于單粒子事件引起的異常有621次，約占異?？倲?shù)的40%[7]。因此，元器件的單粒子效應(yīng)評估是提高航天器安全性的重要環(huán)節(jié)。單粒子事件可分為以下幾類：單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子功能中斷、單粒子閂鎖、單粒子燒毀、單粒子?xùn)糯┑?。單粒子燒毀、單粒子?xùn)糯┲饕l(fā)生在功率器件中。數(shù)字器件主要研究單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子功能中斷、單粒子閂鎖等單粒子事件。

單粒子翻轉(zhuǎn)是指高能粒子撞擊器件使邏輯單元的狀態(tài)發(fā)生改變[8-11]，通常是1位翻轉(zhuǎn)，也有多位翻轉(zhuǎn)。在空間輻射環(huán)境下，隨機存儲器是發(fā)生SEU的概率最高，所以KSZ8851-16MLLJ的接收和發(fā)送緩存區(qū)對單粒子翻轉(zhuǎn)比較敏感，發(fā)生SEU時，發(fā)送和接收緩存的數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤，影響數(shù)據(jù)通訊的正確性。

單粒子功能中斷是指單個粒子入射元器件的控制單元引起控制功能中斷或出錯，對數(shù)字器件的寄存器有較大影響[8-11]。在空間輻射環(huán)境下，KSZ8851-16MLLJ的內(nèi)部寄存器發(fā)生單粒子中斷，則會影響整個芯片的功能，以太網(wǎng)絡(luò)通訊功能部分喪失，表現(xiàn)為PLL電路失效無振蕩頻率、無法發(fā)送數(shù)據(jù)、無法接收數(shù)據(jù)等現(xiàn)象。

單粒子閂鎖是指重離子或質(zhì)子入射CMOS器件觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，使其進(jìn)入電流放大狀態(tài)[11-12]。當(dāng)發(fā)生單粒子閂鎖時，器件電流會迅速變大，必須立即切斷電源以防止器件損壞。KSZ8851-16MLLJ屬于低功耗CMOS器件，在進(jìn)行單粒子實驗時須對器件的電流進(jìn)行監(jiān)控，防止器件損壞。

所以，在以太網(wǎng)芯片單粒子實驗中，要測試芯片的網(wǎng)絡(luò)通訊誤碼率、電壓、電流、頻率等參數(shù)，才能判斷芯片的工作狀態(tài)。

2 系統(tǒng)測試架構(gòu)及實現(xiàn)

圖2是工業(yè)以太網(wǎng)單粒子實驗測試系統(tǒng)的框圖，測試系統(tǒng)由上位計算機、以太網(wǎng)交換機和下位機組成。下位機由4塊DSP2812為核心的以太網(wǎng)芯片測試板，分別為1號板、2號板、3號板、4號板。4塊測試板之間可以進(jìn)行CAN總線通訊。

圖2 測試系統(tǒng)框圖

1號板、2號板和3號板為單粒子實驗輻照區(qū)，4號板為非輻照區(qū)。以太網(wǎng)交換機的功能使各終端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊。上位機和4號測試板通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，4號板通過以太網(wǎng)分別與1號板、2號板、3號板傳遞測試數(shù)據(jù)包。1號板、2號板、3號板通過CAN總線向4號板傳送測試參數(shù)，4號板將測試情況組包上傳到上位機。

測試系統(tǒng)對KSZ8851-16MLLJ的緩存區(qū)、收發(fā)功能、振蕩頻率和器件功耗進(jìn)行測試。上位機通過以太網(wǎng)向4號板發(fā)送選擇測試板的指令，4號板通過CAN總線向被選擇的測試板發(fā)送測試指令，并通過以太網(wǎng)向被測試板發(fā)送數(shù)據(jù)包，上位機和4塊測試板通過以太網(wǎng)交換機進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

2.1 工業(yè)以太網(wǎng)芯片緩存區(qū)測試方案

KSZ8851-16MLLJ的緩存區(qū)共有18 kB，其中接收緩存為12 kB，發(fā)送緩存為6 kB，是以FIFO方式讀取和發(fā)送的，如圖3所示。

圖3 以太網(wǎng)芯片的存儲區(qū)

以太網(wǎng)的底層UDP協(xié)議規(guī)定每包數(shù)據(jù)量最大不超過1550Byte，而接收緩存區(qū)為12 KB，如果通過發(fā)送一包數(shù)據(jù)接收一包數(shù)據(jù)的方式，接收和發(fā)送緩存區(qū)的測試是不完整的。測試系統(tǒng)為覆蓋所有的接收和發(fā)送緩存區(qū)，規(guī)定每包數(shù)據(jù)為1 KB，4號板每次向1號板、2號板、3號板發(fā)送12包數(shù)據(jù)，通過CAN總線通知被測模塊可讀取數(shù)據(jù)包，為方便對比測試，每包的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容是相同的，傳送內(nèi)容通過CAN總線告知被測模塊；被測模塊收到可讀命令后，開始逐包讀取接收緩存區(qū)的內(nèi)容并進(jìn)行比對，將比對結(jié)果通過CAN總線傳送給4號板。同樣，測試發(fā)送緩存區(qū)時，每次寫入6包數(shù)據(jù)后再進(jìn)行發(fā)送，發(fā)送的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容為CAN總線的數(shù)據(jù)內(nèi)容，發(fā)送后通過CAN總線通知4號板，由4號板判讀發(fā)送的數(shù)據(jù)是否正確。4號板綜合被測模塊的緩存區(qū)錯誤次數(shù)通過以太網(wǎng)上傳至上位機，上位機將數(shù)據(jù)記錄下來。

為了使緩存區(qū)數(shù)據(jù)長時間駐留，被測試模塊接收到4號板的CAN總線指令后，立即將接收內(nèi)容寫入到發(fā)送緩存區(qū)，等待0.5S后，再讀取數(shù)據(jù)包并進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)容比對，啟動數(shù)據(jù)發(fā)送指令，將對比結(jié)果通過CAN總線上報4號板且可以接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

2.2 工業(yè)以太網(wǎng)芯片收發(fā)功能測試方案

若單粒子輻射使芯片的功能寄存器發(fā)生異常，被測模塊的以太網(wǎng)收發(fā)功能肯定會受到影響。被測試模塊通過CAN總線接到讀取指令0.5 s后，如果可以正常讀取數(shù)據(jù)包，無論接收數(shù)據(jù)是否正確，認(rèn)定為接收正常；若無法讀取數(shù)據(jù)包，即接收緩存區(qū)為空時，則認(rèn)定為接收異常；將以太網(wǎng)接收結(jié)果通過CAN總線傳送給4號板。4號板通過CAN總線接收到被測試電路模塊的指令后，立即讀取以太網(wǎng)芯片的接收緩存區(qū)，如果可以接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，無論接收數(shù)據(jù)是否正確，認(rèn)定為該芯片發(fā)送功能正常，反之則認(rèn)定為異常。4號板將測試板的網(wǎng)絡(luò)收發(fā)功能上報至上位機，上位機記錄測試結(jié)果。

2.3 工業(yè)以太網(wǎng)芯片振蕩頻率測試方案

以太網(wǎng)芯片的振蕩頻率是反映芯片工作狀態(tài)的重要參數(shù)。KSZ8851-16MLLJ外接晶振的正弦信號振幅小于1 V，要進(jìn)行信號放大和濾波整形后，才能成為方波信號。KSZ8851-16MLLJ的振蕩頻率為25 MHz，DSP2812不能進(jìn)行直接測量，所以要進(jìn)行信號分頻處理，然后再利用DSP2812的定時器對分頻信號進(jìn)行測量。

2.4 工業(yè)以太網(wǎng)芯片功耗測試方案

單粒子實驗中，芯片的電流與輻射強度之間的關(guān)系，是一個重要的研究項目。與此同時電路系統(tǒng)中也要有對芯片的過流保護措施。圖4是功耗測試方案可以避免芯片損壞。KSZ8851主要由3.3 V供電，所以要對其電壓電流進(jìn)行檢測監(jiān)控。

圖4 以太網(wǎng)芯片電源測試框圖

3 測試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

3.1 測試系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

測試系統(tǒng)的硬件主要由上位機、交換機和下位機組成。上位機為有以太網(wǎng)接口的普通計算機，以太網(wǎng)交換機負(fù)責(zé)對各個網(wǎng)絡(luò)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，下位機為4塊完全相同的硬件電路板。下位機主要以DSP2812為核心的嵌入式系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖見圖5。為便于離子源的距離控制，以太網(wǎng)芯片單獨設(shè)計一個轉(zhuǎn)換板，位于測試板所有器件的上方。

圖5 以DSP2812為核心的嵌入式系統(tǒng)

3.2 上位機的軟件設(shè)計

上位機軟件的功能是選擇測試芯片、保存和顯示測試數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)項主要包括KSZ8851的3.3 V電壓、電流、頻率、緩存區(qū)單粒子翻轉(zhuǎn)次數(shù)、收發(fā)錯誤次數(shù)。在運行測試程序之前，需要對上位機進(jìn)行局域網(wǎng)IP地址設(shè)置。

3.3 下位機的軟件設(shè)計

下位機4塊電路板DSP2812程序雖然各不相同，但是1號、2號、3號電路板的基本程序流程是相同的，不同的是以太網(wǎng)和CAN總線的通訊地址，見圖6。

4號電路板主要負(fù)責(zé)解析上位機的指令、接收被測電路板的數(shù)據(jù)和測試參數(shù)、將被測芯片的數(shù)據(jù)打包發(fā)送到上位機。4號電路板解析上位機的指令后，根據(jù)指令通過CAN總線選擇1號、2號、3號電路板的以太網(wǎng)芯片作為被測對象，將測試數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送到被測芯片。接收到被測電路板的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和測試參數(shù)后，判斷被測芯片的工作狀態(tài)，將工作狀態(tài)和測試參數(shù)重新打包通過以太網(wǎng)傳送到上位機。

被測電路板接收到4號電路板的數(shù)據(jù)后，暫不讀取接收緩存的內(nèi)容，延時500 ms后再讀取接收緩存的內(nèi)容并進(jìn)行狀態(tài)判斷，目的是為了測試接收緩存區(qū)的抗粒子能力。然后將判斷結(jié)果和以太網(wǎng)芯片參數(shù)通過CAN總線發(fā)送到4號電路板，再通過以太網(wǎng)將接收緩存區(qū)的內(nèi)容發(fā)送到4號板，測試以太網(wǎng)芯片的通訊功能。

3.4 測試系統(tǒng)的驗證與分析

以太網(wǎng)芯片測試系統(tǒng)在進(jìn)行功能驗證之后，才能進(jìn)行單粒子實驗。測試系統(tǒng)的功能驗證主要包括以下幾個方面：數(shù)據(jù)通訊功能測試、以太網(wǎng)芯片參數(shù)測試和功能監(jiān)測、控制流測試。數(shù)據(jù)通訊功能包含上位機與4號電路板的以太網(wǎng)通訊是否正常，4號電路板與其它下位機的以太網(wǎng)通訊和CAN總線通訊是否正確。以太網(wǎng)芯片參數(shù)測試主要是指芯片的工作電壓、電流、頻率是否正確，并要進(jìn)行參數(shù)校正；功能監(jiān)測主要是以太網(wǎng)芯片的接收和發(fā)送功能是否正常，接收和發(fā)送緩存區(qū)的數(shù)據(jù)是否被改寫?？刂屏鳒y試是指上位機對下位機的控制是否按預(yù)定流程進(jìn)行。表1是以太網(wǎng)芯片在非單粒子輻射條件下的測試數(shù)據(jù)。

表1 以太網(wǎng)芯片測試數(shù)據(jù)

測試項目t3.3V(V)1.8V(V)頻率(MHz)誤碼率(‰)3.3V電流(mA)13.3121.79925.007923.3081.79325.007833.3101.79525.008043.3091.78925.0081

在測試過程中，也可用萬用表測量以太網(wǎng)芯片的工作電壓、電流，用頻率計測量芯片的本振頻率，與表1的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比結(jié)果表明：表1的電壓、電流、頻率數(shù)據(jù)是可信的；將1號板、2號板、3號板回傳的網(wǎng)絡(luò)測試數(shù)據(jù)與源數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，沒有發(fā)現(xiàn)傳輸誤碼，這表明誤碼率測試結(jié)果也是可信的。表1的數(shù)據(jù)來自上位機且是可信的，這表明測試系統(tǒng)中上位機與4號板的以太網(wǎng)通訊功能正常，4號板與1號板、2號板、3號板的網(wǎng)絡(luò)通訊和CAN總線通訊功能正常，上位機和下位機的軟件實現(xiàn)了以太網(wǎng)芯片測試數(shù)據(jù)測量、顯示和保存功能，可以實時地、有效地監(jiān)測以太網(wǎng)芯片的工作狀態(tài)。

4 結(jié)束語

圖6 下位機軟件流程圖

通常情況下，電子元器件在進(jìn)行單粒子實驗時，監(jiān)測其工作電流即可判斷其工作狀態(tài)，然后計算單粒子翻轉(zhuǎn)截面或單粒子中斷截面，就可以得出是否能在航天器上應(yīng)用的結(jié)論。以太網(wǎng)芯片在航天器的應(yīng)用中涉及數(shù)據(jù)的可靠性和安全性，進(jìn)行單粒子實驗時要對其進(jìn)行全面的監(jiān)測，才能為下一步的航天工程應(yīng)用提供參考。通過對以太網(wǎng)芯片KSZ8851-16MLLJ內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空間單粒子效應(yīng)對內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響的分析，得出以太網(wǎng)芯片在單粒子實驗中需要的測試項目。測試系統(tǒng)的下位機利用CAN總線實時監(jiān)控以太網(wǎng)芯片的工作狀態(tài)，并通過以太網(wǎng)將實驗數(shù)據(jù)實時地傳輸?shù)缴衔粰C，上位機將實驗數(shù)據(jù)以圖形的形式實時描繪和記錄下來，使測試人員可以直觀了解實驗狀態(tài)，從而可以實時地作出實驗決策。科研人員通過獲得的實驗數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析以太網(wǎng)芯片在單粒子條件下的工作狀態(tài)，為航天工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。測試結(jié)果表明：單粒子實驗測試系統(tǒng)可以對以太網(wǎng)芯片進(jìn)行全面地監(jiān)測，真實無誤地保存測試數(shù)據(jù)；工藝人員可以從測試數(shù)據(jù)中判斷出以太網(wǎng)芯片是否滿足空間環(huán)境的使用要求，工程應(yīng)用人員也可以從測試數(shù)據(jù)中分析出以太網(wǎng)芯片的抗單粒子特性以提高其工程應(yīng)用的可靠性和安全性。

[1] Reed R A,Carts M A,Marshall P W, ect. Heavy Ion and Proton Induced Single Event Multiple[J].IEEE Trans. Nuclear Science,1997,44(6):2224-2229.

[2] Titus J L，Wheatley C F .Experimental Studies of Single-Event Gate Rupture and Burnout Vertical Power MOSFET[J].IEEE Trans. Nuclear Science,1996,44(2):533-545.

[3] Baumann R. C.Single Event effects in advanced CMOS technology[J].Proc.IEEE NSREC Short Course Text,2005,pp.1-59.

[4] 劉健波,劉 遠(yuǎn),等.集成電路單粒子瞬態(tài)效應(yīng)與測試方法[J].微電子學(xué),2014,44(1):135-140.

[5] 郝培杰,徐冰霖,等.衛(wèi)星單粒子閂鎖異常的診斷與自動報警[J].飛行器測控學(xué)報,2014,33(6):512-517.

[6] http://www.micrel.com/_PDF/Ethernet/datasheets/ksz8851-16mllj.pdf，[EB/OL].

[7] 王麗君.空間電子學(xué)的單粒子效應(yīng)[J].空間電子技術(shù),1998,4:1-5.

[8] Gregory Allen ,Gary Swift and Carl Carmichael.Virtex-4vq Static SEU Characterization Summary[J].Jet Propulsion Laboratory,2008,4:3-5.

[9] Barnaby H. Total Dose Effects in Modern Integrated Circuit Technologies[J].IEEE NSREC Short Course,2005,III-I-III-112.

[10] 劉 征,孫永節(jié),等.SRAM單元單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的電路模擬[J].半導(dǎo)體學(xué)報.2007,28(1):138-141.

[11] 候建文,張愛兵,等.FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)事件在軌探測研究[J].宇航學(xué)報,2014,35(4):454-458.

[12] 賀朝會,李永宏,等.單粒子效應(yīng)輻射模擬實驗研究進(jìn)展[J].核技術(shù),2007,30(4):347-351.

Study of Industrial Ethernet Chip Test System in Single-event Experiment

Xia Jiagao1, Li Wenxin1, Zhu Bo1, Wang Shijia1， Wang Zhilong2

(1.Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou 730000, China； 2.Basic Science Department, Lanzhou Institute of Industrial, Lanzhou 730000, China)

The single-event effect to the inner structure of Ethernet chip KSZ8851-16MLLJ is analyzed in the paper. The industrial Ethernet chip test system in single-event experiment is developed to fully understand the state of Ethernet chip. Some relevant parameters obtained from the test system experiment can provide technical reference for the application of Ethernet chip in spacecraft. According to the situation of single-event experiment, the remote data acquisition and control system based on the Ethernet is studied to transfer test data in real time to remote observation terminal. The experiment results show that the test system can monitor the Ethernet chip comprehensively and protect effectively its safety.

single event; Ethernet chip; test system

2015-09-23；

2015-11-12。

國家自然科學(xué)基金項目(11161041)。

夏加高(1978-)，男，江蘇連云港人，博士研究生，主要從事空間電子應(yīng)用技術(shù)方面的研究。

1671-4598(2016)03-0040-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.012

TP368.1

A