文/游華春 王曉偉

1 概述

中子單粒子效應是指單個高能粒子作用于半導體器件引發(fā)的翻轉、鎖定、燒毀、柵穿等現(xiàn)象。以往研究認為中子單粒子效應主要發(fā)生在航天領域，但國外近年來的研究表明，飛機在3～20km的自然空間環(huán)境中同樣會遭遇中子單粒子效應。只不過航天領域誘發(fā)單粒子效應的高能粒子輻射源主要為重離子或質(zhì)子，而在航空領域誘發(fā)單粒子效應的高能粒子輻射源主要為大氣中子。

大氣中子穿透性強，金屬材料幾乎沒有阻擋作用，因此會穿透機艙蒙皮，打在航空電子設備上，尤其是核心指令控制單元或關鍵數(shù)據(jù)存儲單元上，產(chǎn)生大氣中子單粒子效應。從而引發(fā)軟錯誤、硬錯誤甚至硬失效，導致飛行控制系統(tǒng)、航電系統(tǒng)等出現(xiàn)黑屏、死機、復位、數(shù)據(jù)丟失、命令錯誤等故障現(xiàn)象。有的會直接影響飛機的安全性與可靠性，有的會誤導飛機駕駛員產(chǎn)生錯誤判斷與錯誤操作，從而間接影響飛機的安全性與可靠性。

本文以航空應用領域的機載應答機為例，研究中子單粒子對機載應答機的影響。

2 應答機簡介

圖1：S模式應答機功能板之間的接口關系圖

圖2：A模式輸出信號

圖4：S模式輸出信號

2.1 應答機功能

應答機主要是安裝在飛機上的機載設備，能夠自動應答本飛機的高度信息，代碼信息。應答機信號處理模塊實現(xiàn)的主要功能是實現(xiàn)譯碼、編碼功能。把應答機接收到的外部信號，經(jīng)過內(nèi)部接收模塊解調(diào)后，進行數(shù)據(jù)處理，從而分辨出是代碼（A）模式、高度（C）模式、或者是S模式。并將本應答機的代碼（A）信息、高度（C）信息、或者S模式地址碼傳送給本應答機的發(fā)射機模塊進行射頻發(fā)射。

應答機處理模塊在整個應答機中與其它功能模塊的接口關系如圖1所示。

2.2 應答模式

2.2.1 代碼（A）模式

模式A的回答碼包括從0到最多12個信息脈沖，A模式輸出信號如圖2所示。

2.2.2 代碼（C）模式

模式C的回答碼包括從0到最多11個信息脈沖。C模式輸出信號如圖3所示。

2.2.3 S模式

S模式輸出格式如圖4所示。

3 試驗

3.1 輻射源

試驗采用的是中國原子能科學研究院中的14MeV中子加速器產(chǎn)生的快中子。

3.2 粒子束流

（1）離子束不均勻性：≤±10%；

（2）注量：使被試器件接受的中子注量達到109(n/cm2)或達到100個錯誤；

（3）中子注量率在103-5n/cm2-s范圍內(nèi)可調(diào)。

3.3 環(huán)境溫度

輻照間內(nèi)環(huán)境溫度為25±3℃。

3.4 屏蔽條件

輻照源與試驗件之間使用4mm鋁板進行屏蔽。

3.5 工作狀態(tài)

試驗件在輻射過程中執(zhí)行正常的功能操作，即功能單機板級試驗期間運行規(guī)定的飛行程序，同時監(jiān)測輸出狀態(tài)。

3.6 試驗裝置

試驗系統(tǒng)主要由14MeV中子加速器、屏蔽板、應答機信號處理板、電源、系統(tǒng)線纜、調(diào)試線纜、429板卡、FPGA仿真器及遠程監(jiān)測PC機等組成。

中子單粒子效應試驗主要設備布局示意圖如圖5所示。

（1）把輻照板固定在靶前10cm處；

（2）在靶與輻照板之間豎立一塊4mm厚的鋁屏蔽板；

（3）輻照板分別與429板卡、FPGA仿真器相連接；

（4）仿真器采取壘鉛磚室的方法進行屏蔽；

（5）布線，MPU仿真器、FPGA仿真器通過長線連接至測試間，輻照板電源線需連接至測試間。

3.7 試驗檢測

在中子輻照期間，應答機處理板上運行的實際飛行程序，在線實時監(jiān)測單機板的輸出，監(jiān)測出現(xiàn)的功能故障，如程序跑飛、無輸出、自動復位等故障現(xiàn)象，記錄故障現(xiàn)象及其次數(shù)。

4 故障現(xiàn)象

航空電子設備故障類型定義如下：

第I類故障為硬失效，其特征為斷電重啟不能恢復正常功能，需要維修。

第2類故障為硬錯誤，其特征為斷電重啟才能恢復正常功能。

第3類故障為軟錯誤，其特征為軟復位可恢復正常功能。

在該次中子單粒子試驗中，應答機處理板出現(xiàn)了第3類故障。模式編碼輸出的信號發(fā)生了變化。圖6為A/C模式試驗前數(shù)據(jù)格式，圖7為A/C模式試驗后數(shù)據(jù)格式，圖8為S模式試驗前數(shù)據(jù)格式，圖9為S模式試驗后數(shù)據(jù)格式。對比圖6和圖7、圖8和圖9所示，A/C模式輸出無變化，S模式數(shù)據(jù)輸出發(fā)生變化，導致報出錯誤的S模式地址。

如圖9所示，S模式編碼中的脈沖一直缺失，從原理來講，S模式數(shù)據(jù)鏈是從CPU寄存器中向FPGA進行加載、編碼。 數(shù)據(jù)時時更新，若FPGA中S模式數(shù)據(jù)鏈的寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)生了翻轉，則只能出現(xiàn)一次翻轉，下一次就會被覆蓋。覆蓋后，F(xiàn)PGA按照正常的數(shù)據(jù)進行編碼；S模式編碼中的脈沖一直缺失，說明FPGA是按照同一個數(shù)據(jù)進行的編碼，即CPU中裝載S模式數(shù)據(jù)鏈的寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)生了翻轉。說明中子單粒子確實會造成應答機一定程度的功能失效。

5 結論

應答機處理板在中子單粒子試驗中為第3類故障為軟錯誤，其特征為軟復位可恢復正常功能。且針對該S模式問題，軟件本身后期進行了CRC校驗。CRC校驗能力為12位，即能糾正12位錯誤碼值。若碼值錯誤過多，在處理的時候，軟件將棄用這一串數(shù)據(jù)鏈。就中子單粒子試驗而造成的數(shù)據(jù)位發(fā)生變化，在解碼的過程中，CRC校驗能夠恢復正確的碼值。若大面積的數(shù)據(jù)錯誤，軟件將丟棄對這串數(shù)據(jù)的處理。所以，即使打中，不會出現(xiàn)功能性錯誤。

本文論述應答機參與中子單粒子試驗的詳細過程，及出現(xiàn)的試驗現(xiàn)象。但由于中子單粒子的不確定性，下次可能擊中處理板元器件不同的位置，出現(xiàn)不可復現(xiàn)的現(xiàn)象。

圖5：中子單粒子效應試驗主要設備布局示意圖

圖6：A/C模式試驗前數(shù)據(jù)格式

圖7：A/C模式試驗后數(shù)據(jù)格式

圖8：S模式試驗前數(shù)據(jù)格式

圖9：S模式試驗后數(shù)據(jù)格式

6 結束語

隨著集成電路規(guī)模逐漸增大，器件大小越來越小，中子單粒子對航電設備的影響，問題會成為一個邊緣問題逐漸被大家所認識，成為一個主要的問題，我們更應該在設計環(huán)節(jié)中提高認識，并采取一定的措施，需要開展中子單粒子影響評估，找出防護的薄弱環(huán)節(jié)，提高航電設備的可靠性和安全性。