文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.014
中文引用格式： 李夢良，樂立鵬，張建軍，等. 星載65 nm抗輻射GNSS接收機ASIC的SEFI實驗方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(1)：53-56，59.
英文引用格式： Li Mengliang，Yue Lipeng，Zhang Jianjun，et al. The SEFI test method of 65 nm radiation-hardened on-board GNSS receiver ASIC[J].Application of Electronic Technique，2017，43(1)：53-56，59.
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，包括美國的GPS、中國的北斗、俄羅斯的格洛納斯以及歐盟的伽利略，它是面向全球的，利用其中一個或者多個系統(tǒng)的無線電導(dǎo)航信號，為空間和地面用戶提供定位、定時、測距、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)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，而隨之不斷提升的是用戶對于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，對國產(chǎn)器件提出了新的挑戰(zhàn)。
星載抗輻射GNSS接收機ASIC芯片是GNSS接收機小型化、低功耗與國產(chǎn)化的關(guān)鍵。隨著制造工藝的提高，ASIC的規(guī)模越來越大，功能越來越復(fù)雜，極限頻率也逐漸升高；但是與此同時ASIC的特征尺寸越來越小，柵長度、節(jié)點尺寸、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，它們所帶來的SEE嚴重影響空間器件的可靠性。因此，在星載抗輻射GNSS接收機ASIC研制過程中，空間器件的可靠性設(shè)計，尤其是抗輻射加固設(shè)計與驗證尤為重要。
在驗證抗輻射加固器件的可靠性時，對于SEFI的檢測往往比較困難。因為不同的ASIC其功能不一樣，沒有統(tǒng)一的判定方法。為此，本文根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計功能和性能指標要求，設(shè)計了一種針對65 nm星載抗輻射GNSS接收機ASIC的SEFI實驗方法。
1 設(shè)計原理
1.1 芯片工作原理
星載抗輻射GNSS接收機ASIC在國內(nèi)首次采用65 nm七層金屬的硅柵CMOS工藝，抗輻射標準單元設(shè)計，包含SRAM 結(jié)構(gòu)，主要完成導(dǎo)航信號的前置低通濾波、偽碼/載波捕獲、偽碼/載波剝離與相干積分、時鐘/同步信號等脈沖產(chǎn)生、串口通信等功能，為GNSS信號控制解算數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)提供GNSS中頻信號的載波和偽碼觀測量，為其他芯片輸出同步時鐘脈沖。芯片兼容北斗和GPS導(dǎo)航信號，內(nèi)部包含：一個GPS L1C/A信號捕獲引擎和一個北斗B1I信號捕獲引擎，16個北斗雙頻跟蹤通道(B1I和B3I)，16個GPS雙頻通道(L1C/A和L2C/L2P)。外部DSP可以通過外部存儲器接口(External Memory Interface，EMIF)對芯片進行參數(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ASIC芯片結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
1.2 測試輸入信號
根據(jù)1.1小節(jié)對芯片功能的描述，如果要讓ASIC正常工作，必須輸入的激勵信號包括：GPS L1C/A數(shù)字中頻信號、GPS L2C數(shù)字中頻信號、L2P數(shù)字中頻信號、B1I數(shù)字中頻信號、B3I數(shù)字中頻信號、全局配置信號(包括AD通道選擇)、RS422/RS232配置信號、時鐘配置信息、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EMIF接口，對ASIC內(nèi)部相應(yīng)的D觸發(fā)器或者SRAM寫入相應(yīng)的信息實現(xiàn)的，實現(xiàn)方法相對簡單并且統(tǒng)一。為了能夠?qū)SIC芯片的核心功能——捕獲和跟蹤性能進行長時間的實時測試，芯片外部就需要產(chǎn)生5種模擬的數(shù)字中頻信號，分4路進入芯片內(nèi)部進行處理。但是，實際上在某個參數(shù)條件下，一個跟蹤通道或者捕獲引擎只能對4路當中的一路進行處理。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實時發(fā)生，產(chǎn)生算法參考文獻[2-4]，并連續(xù)不斷地送給待測芯片。
1.3 芯片內(nèi)部配置
對芯片內(nèi)部控制寄存器和數(shù)據(jù)SRAM的配置，主要是通過EMIF接口來實現(xiàn)的。EMIF接口可以對芯片內(nèi)部多個寄存器和SRAM的配置，寫入時序如圖2所示。圖中CS是片選使能信號，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
對于芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)的讀取，仍然通過EMIF接口進行。通過對芯片內(nèi)部不同地址的寄存器組的讀取，可以獲知當前芯片的工作狀態(tài)，特別是捕獲和跟蹤通道的輸出數(shù)據(jù)是否因為單粒子效應(yīng)而發(fā)生了異常。圖3給出了EMIF接口的數(shù)據(jù)讀取時序圖，其中OE是EMIF接口的輸出使能信號，低有效。此時，32位數(shù)據(jù)總線DB作為ASIC芯片的輸出，將會有一定的時延T_o，T_o可能會有2-3個時鐘周期。
在沒有輻照的條件下，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。在單粒子試驗中，用兩片相同的ASIC芯片A和B，給A/B兩個芯片輸入相同的激勵。然后，用輻照源照射A芯片，同時讀取A/B兩個芯片的輸出數(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)無法恢復(fù)，則發(fā)生一次SEFI。
2 實現(xiàn)方案
星載抗輻射GNSS接收機ASIC芯片單粒子實驗電路采用一片Altera公司的Cyclone IV系列FPGA進行激勵信號產(chǎn)生以及芯片輸出判讀，當發(fā)生一次SEU或SEFI時，相應(yīng)計數(shù)器值加一；SEU和SEFI的次數(shù)計數(shù)值通過FPGA的RS232接口發(fā)送給上位機；兩片相同的ASIC樣片分別作為實驗片A和參考片B，整個實驗用PCB板電路連接如圖4所示。對于芯片而言，在正常工作時，可測性測試模式的控制端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)的測試激勵生成部分提供時鐘clk_in和復(fù)位信號GlbRst，復(fù)位完成后，測試系統(tǒng)運行過程如下：
(1)FPGA配置兩個芯片的全局控制信號，包括時鐘同步脈沖、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SRAM配置；
(3)B1I/B3I跟蹤通道參數(shù)寄存器配置，本地偽碼存儲SRAM配置；
(4)L1C/A捕獲引擎參數(shù)寄存器配置，本地偽碼存儲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，開始進入工作狀態(tài)；
(8)FPGA開始持續(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)進行判別；
(10)FPGA每讀10輪，則同時對芯片A/B的捕獲引擎進行一次初始化。
3 全功能SEFI實驗測定
星載抗輻射GNSS接收機ASIC單粒子輻照實驗電路板模擬了芯片在用戶單機上的全功能工作狀態(tài)，這保證了SEFI實驗結(jié)果的可靠度，實驗電路板實物圖如圖5所示，左邊是底視圖，右邊為頂視圖。
整個測試系統(tǒng)由星載抗輻射GNSS接收機ASIC單粒子輻照實驗電路板、電源控制模塊、多用表、路由器、安捷倫程控電源和兩臺筆記本PC機(PC1和PC2)組成。被測器件(芯片A/B)置于實驗電路板上，實驗電路板放在粒子加速器裝置上進行輻照實驗；實驗電路板通過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、電源控制器和實驗電路板上的FPGA以及接收實驗電路板通過串口傳送來的信息；通過串聯(lián)多用表來檢測被測器件的工作電流，當發(fā)生單粒子栓鎖事件時，程控電源可自動斷電；PC2通過網(wǎng)線與試驗室內(nèi)的PC1相連并遠程控制PC1；電源控制模塊通過USB數(shù)據(jù)線與PC1連接。系統(tǒng)連接圖如圖6所示。
單粒子功能中斷測試時，電路工作頻率61.38 MHz或20 MHz，若SEFI功能中斷數(shù)達到規(guī)定值，或離子總注量達到107粒子/cm2(以先到者為準)，則停止輻照，變換試驗粒子，繼續(xù)進行輻照實驗。
采用上述測試方案，通過輻照實驗，實際測得單粒子翻轉(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)錯誤率：GEO軌道優(yōu)于5×10-5次/天·器件，滿足指標要求。
4 結(jié)論
本文所述輻照實驗方案電路簡單可靠，易于實現(xiàn)，不需要復(fù)雜的單機運行設(shè)備就可以讓芯片正確地運行在全功能狀態(tài)，大大簡化了SEFI實驗的復(fù)雜度，縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期。實驗證明：國內(nèi)首款星載65 nm抗輻射加固GNSS接收機基帶處理ASIC 芯片功能/性能滿足用戶設(shè)計預(yù)期，SEFI錯誤率滿足指標要求。
參考文獻
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[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:
李夢良，樂立鵬，張建軍，鄭宏超
(中國航天電子技術(shù)研究院772所，北京100076)