常遠 沈國紅 荊濤 路立

摘? 要： 惡劣的空間環(huán)境會誘發(fā)星上載荷的總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)、表面充放電效應(yīng)等問題，導(dǎo)致星上設(shè)備在軌發(fā)生各種故障。為保證衛(wèi)星壽命及載荷安全可靠運行，在設(shè)計過程中須對載荷進行系統(tǒng)化的防輻射設(shè)計。文中針對對航天器載荷影響最大的單粒子效應(yīng)從電子技術(shù)方面給出了漢明碼設(shè)計和閂鎖檢測電路設(shè)計。經(jīng)過實踐證明，該設(shè)計易于實現(xiàn)，能夠有效解決單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)和單粒子鎖定效應(yīng)，有效保證星上載荷安全，提高可靠性和使用壽命。

關(guān)鍵詞： 防輻射設(shè)計; 漢明碼; 閂鎖檢測電路; 星上載荷; 空間環(huán)境; 實驗測試

中圖分類號： TN911.34?34; TP391.4? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）04?0008?03

Design of radiation protection effect based on Hamming code and latch detection circuit

CHANG Yuan1，2，3，4， SHEN Guohong1，3，4， JING Tao1，3，4， LU Li1，3，4

（1. National Space Science Center， Chinese Academy of Science， Beijing 100190， China; 2. University of Chinese Academy of Science， Beijing 100049， China;

3. Beijing Key Laboratory of Space?Based Space Environment Exploration， Beijing 100190， China;

4. Key Laboratory of Space Environment Situational Awareness Technology， CAS， Beijing 101499， China）

Abstract： The severe space environment can induce the total dose effect， single event effect， surface charge?discharge effect and so on of the spaceborne payload， resulting in the various malfunctions of spaceborne equipments in orbit. The systematic radiation protection design of the payload must be conducted during the design process to ensure the satellite life and reliable operation of the payload. The Hamming code design and latch detection circuit design are given in the aspect of the electronic technology， aiming at the single particle effect which has the greatest influence on the spacecraft payload. The practice proves that the design is easy to implement， can effectively solve the single?particle rollover effect and single?particle locking effect， effectively ensure the onboard payload safety， and improve the reliability and service life.

Keywords： radiation protection; Hamming code; latch detection circuit; spaceborne payload; space environment; experimental measurement

隨著我國航天技術(shù)和應(yīng)用需求的發(fā)展，各類應(yīng)用衛(wèi)星、科學(xué)衛(wèi)星等進入發(fā)射高峰期。在惡劣的太空環(huán)境下，空間輻射效應(yīng)以及表面充放電效應(yīng)造成了大量的航天器故障。針對總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)、表面充放電效應(yīng)，目前雖然都有對應(yīng)的解決辦法，但是有的辦法實施起來需要消耗大量人力、物力以及時間，然而我國航天任務(wù)大都有時間緊、任務(wù)重的特點，并且受限于目前的工藝技術(shù)，所以部分有效措施無法采用， 比如對所有元器件單獨采用雙向互鎖存儲單元（DICE）的抗輻射結(jié)構(gòu)設(shè)計來避免單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)[1]，方法雖然有效，卻不可能耗費如此大的投入。因此，在大量星上載荷研制任務(wù)中，從電子技術(shù)方面總結(jié)出了一套較為簡單可靠的設(shè)計，使用漢明碼設(shè)計應(yīng)對單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)、使用閂鎖檢測電路設(shè)計應(yīng)對單粒子鎖定效應(yīng)，通過這兩項設(shè)計可以有效提高星上載荷的防輻射安全性，提高設(shè)備運行穩(wěn)定性和可靠性。本文從介紹空間環(huán)境對航天器影響開始，進一步指明了各種效應(yīng)的成因、危害，并給出了有針對性的應(yīng)對方法。

1? 空間環(huán)境對航天器的影響

衛(wèi)星在在軌運行期間主要遭遇的空間環(huán)境有兩大類：一是太陽系及銀河系的帶電粒子、電磁輻射等[2];二是近地空間自身所有的帶電粒子、中性大氣等?？臻g環(huán)境對衛(wèi)星及其載荷的作用本質(zhì)是太空的物質(zhì)條件對航天器用材料及功能產(chǎn)生影響。根據(jù)不同物質(zhì)和作用機理，主要有輻射效應(yīng)（radiation effects）、充放電效應(yīng)（charging and discharging）以及侵蝕效應(yīng)（erosion）。其中對載荷影響最大的是輻射效應(yīng)，輻射效應(yīng)主要分為以下幾類，即總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)以及位移損傷效應(yīng)[3]。據(jù)美國航天局馬紹爾飛行中心和宇航集團公司統(tǒng)計2009年因單粒子效應(yīng)造成的儀器故障占總故障的46%。因此，單粒子鎖定和單粒子翻轉(zhuǎn)是星上載荷需要重點解決的問題[4]。

電離總劑量效應(yīng)（Total Iionizing Dose，TID）是指衛(wèi)星在軌飛行過程中不斷遭受到輻射帶電子、質(zhì)子以及太陽宇宙線質(zhì)子的電離作用，導(dǎo)致大量的額外電離電荷堆積在器件內(nèi)部的介質(zhì)隔離和鈍化材料中，造成器件參數(shù)退化以至失效。單粒子效應(yīng)（Single Event Effects，SEE）主要包括單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)（Single Event Upset，SEU）以及CMOS工藝器件的單粒子鎖定效應(yīng)（Single Event Latch，SEL）。位移損傷效應(yīng)是空間輻射粒子與靶物質(zhì)原子發(fā)生彈性碰撞，使得靶物質(zhì)原子發(fā)生移動成為間隙原子以及留下原位置的空位，間隙原子以及空位最終會影響器件的電參數(shù)及性能。充放電效應(yīng)由空間中等離子體引起，可分為表面充放電和內(nèi)部充電，電荷在航天器上積累到一定水平后，可引發(fā)靜電效應(yīng)，造成電源、導(dǎo)航、通信等系統(tǒng)中斷或破壞，甚至導(dǎo)致整個航天器失效。

針對電離總劑量效應(yīng)，可以在器件選型時選擇可以承受總輻射劑量較高的器件，在“嫦娥四號”載荷電子元器件上優(yōu)先選擇了能夠承受總輻射劑量>10 krad的器件。針對表面充放電效應(yīng)我們可以采取屏蔽措施、搭接、選擇絕緣性能良好的電介質(zhì)材料以及對電路板層疊設(shè)計等方式。

2? 針對單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的設(shè)計

2.1? 解決SEU（單粒子翻轉(zhuǎn)）的設(shè)計

解決SEL問題的方式現(xiàn)在常用的有采用三模冗余技術(shù)、采用DICE結(jié)構(gòu)設(shè)計的元器件[5]。三模冗余技術(shù)是使用三個D觸發(fā)器代替一個D觸發(fā)器，這樣如果有一個輸入出錯，可以保證輸出不變。但是三模冗余會增大面積，提升資源消耗水平。DICE結(jié)構(gòu)的元器件需要單獨設(shè)計，重新開發(fā)，大大提高了工作量，影響載荷研制進展，所以在實際項目中很難大面積應(yīng)用。因此對SRAM等存儲單元的抗輻照設(shè)計推薦使用糾錯碼。常用的糾錯碼有漢明碼和RS（Read?Solomon）碼等，但RS碼是串行譯碼，不適合高速的數(shù)據(jù)傳輸，所以應(yīng)采用并行譯碼的漢明碼設(shè)計[6]。

漢明碼不僅可以用來檢驗錯誤的發(fā)生，還能糾正錯誤。它的實現(xiàn)是在原來N位的數(shù)據(jù)內(nèi)插入k位檢驗位數(shù)據(jù)，這時數(shù)據(jù)變?yōu)閙（m=N+k）位編碼[7]。編碼要滿足2k-1≥m，這就是Hamming不等式。在得到的m位編碼的2k（k≥0&&2k

除了編碼規(guī)則外，漢明碼還有嚴(yán)格的解碼規(guī)則。嚴(yán)格按照規(guī)則進行設(shè)計，漢明碼可以發(fā)現(xiàn)并糾正一位數(shù)據(jù)錯誤，如果發(fā)現(xiàn)多于一位錯誤，則可以告知系統(tǒng)發(fā)生了多位錯誤。

2.2? 單粒子翻轉(zhuǎn)實驗?zāi)M

在星上載荷高能粒子探測器中使用漢明碼的設(shè)計，并進行了實驗驗證。硬件電路選取XC6SLX9 FPGA和用于USB和UART轉(zhuǎn)換的Silicon Labs CP2102GM。硬件架構(gòu)如圖2所示。

界面軟件為基于LabVIEW開發(fā)的專門用于高能粒子探測器數(shù)據(jù)解析的程序。手動發(fā)送2個8位的16進制數(shù)SendData（值為16），解析出4位有效數(shù)據(jù)VaildData（值為04），編碼后的數(shù)據(jù)CodeData（值為2A）。然后設(shè)置故障位，在電路板上使用撥碼開關(guān)強制令數(shù)據(jù)位第一位為“1”，再次寫入，此時讀出的數(shù)據(jù)ReadData為“2B”，顯示出錯誤位ErrorBit位“1”，糾正后的數(shù)據(jù)DecoData為“04”[8]。顯示結(jié)果如圖3所示。

該過程模擬了單粒子翻轉(zhuǎn)故障，漢明碼設(shè)計有效的進行了故障消除，達到了預(yù)期的效果。

3? 針對單粒子鎖定效應(yīng)的設(shè)計

閂鎖效應(yīng)是對于CMOS電路中特有的，是由于CMOS器件中一個三極管正偏，構(gòu)成正反饋形成閂鎖[9]。避免閂鎖的常規(guī)措施有預(yù)防電源跳動、限制電路的電流，以及在電路的設(shè)計、加工過程中防止閂鎖[10]。但是這些措施或不能有效的抑制閂鎖效應(yīng)，或設(shè)計起來繁瑣復(fù)雜，比如通過限流來抑制閂鎖發(fā)生就非常困難。經(jīng)過對高能粒子探測器等儀器的研發(fā)及不斷試驗總結(jié)出，針對載荷專門設(shè)計一個閂鎖檢測電路，用來專門捕捉載荷內(nèi)發(fā)生的閂鎖效應(yīng)，捕捉到閂鎖發(fā)生就斷電重新啟動。在大量高能粒子探測器的實驗中，設(shè)計出了如圖4所示的閂鎖檢測電路。

該閂鎖檢測電路具有“故障”信號的數(shù)字接口，該信號由ICU（儀器控制單元）進行連續(xù)監(jiān)測?！肮收稀毙盘柋硎締瘟Ｗ邮录V鎖在載荷數(shù)字電子元件上。一旦檢測到故障信號將關(guān)閉所有數(shù)字電源線，故障信號將變?yōu)? V，F(xiàn)AULT信號阻抗低于5 kΩ。當(dāng)沒有檢測到閂鎖時，“故障”信號為3.3 V，信號阻抗為100 Ω。在載荷啟動后的前500 ms內(nèi)，暫不檢測FAULT信號，以保證通過電源電壓上電后數(shù)字電源線穩(wěn)定。當(dāng)ICU檢測到閂鎖時，ICU將立即關(guān)閉電路中所有重要部分，比如FPGA，ADC以及數(shù)字接口，該過程如圖5所示，并等待地面指令再次打開載荷。

4? 結(jié)? 語

本文針對航天器在空間環(huán)境中主要發(fā)生的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)、單粒子鎖定效應(yīng)，提出了有效的解決方案，并且在工程實踐中易于實現(xiàn)，經(jīng)過實驗測試以及采用漢明碼設(shè)計、閂鎖檢測電路設(shè)計的在軌高能粒子探測器證明，漢明碼設(shè)計、閂鎖檢測電路設(shè)計能夠保證載荷有效應(yīng)對單粒子鎖定效應(yīng)以及單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)，保證載荷在軌安全穩(wěn)定運行。

針對不同載荷，在設(shè)計過程中，除了使用本文的方法進行防輻射設(shè)計，還可以根據(jù)載荷實際需要、工程實際情況，增加其他防輻射設(shè)計，確保衛(wèi)星載荷的高可靠和長壽命。

注：本文通訊作者為沈國紅。

參考文獻

[1] XIE Xiaodong， ZHANG Xiwen， LI Wei， et al. A radiation?hardened programmable read on memory for space applications [J]. IEICE electronics express， 2018， 15（19）： 10.

[2] 陳善強，劉四清，師立勤，等.用于空間輻射效應(yīng)評估的軟件：SEREAT[J].宇航學(xué)報，2017（3）：317?322.

[3] 樓建設(shè).衛(wèi)星用典型SRAM存儲器空間輻射效應(yīng)及模擬試驗方法研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2013.

[4] 李若飛，胡長清.單粒子仿真方法研究[J].微處理機，2017（3）：8?12.

[5] 黃琨，楊武，胡珂流，等.一種異構(gòu)雙核SoC的抗SEU加固方案[J].微電子學(xué)，2018（10）：631?634.

[6] BORA Moon. Weighted Hamming metric structures [J]. Discrete mathematics， 2018， 341（11）： 3174?3181.

[7] 余輝龍，張健，覃翠，等.一種指數(shù)字長的通用漢明碼糾錯算法[J].微電子學(xué)與計算機，2015（7）：59?61.

[8] 張志洲，李東陽.星載機檢錯糾錯模擬系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索，2018（7）：72?80.

[9] 黃東巍，蔡依林，任翔.集成電路動態(tài)閂鎖效應(yīng)檢測方法研究[J].電子元器件與信息技術(shù)，2018（8）：81?84.

[10] 楊菊瑾，劉義凱.抗單粒子翻轉(zhuǎn)的加固方法[J].微處理機，2013（5）：4?5.