FIFO SRAM單粒子效應(yīng)的測試系統(tǒng)設(shè)計

劉永燦，潘　濱，李愛平

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

FIFO SRAM單粒子效應(yīng)的測試系統(tǒng)設(shè)計

劉永燦，潘濱，李愛平

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，器件的抗輻照性能變得越來越重要，因此對抗輻照指標的應(yīng)用測試已顯得至關(guān)重要?；贔PGA和NI工控機，設(shè)計四通道數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)，用于監(jiān)測FIFO SRAM單粒子實驗中發(fā)生的單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）和單粒子閂鎖（SEL）效應(yīng)。采樣率可達50 MHz，對器件的讀寫頻率達10 MByte/s。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對FIFO SRAM單粒子試驗過程的遠程測控。在監(jiān)測單粒子翻轉(zhuǎn)的過程中，既監(jiān)測存儲器的SEU效應(yīng)，又監(jiān)測了讀寫指針的SEU效應(yīng)，并經(jīng)過實際的單粒子效應(yīng)測試驗證了本系統(tǒng)的可靠性。

單粒子效應(yīng)；存儲器測試；NI工控機

1　引言

常見的單粒子效應(yīng)有單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）和單粒子閂鎖（SEL）兩種，本文介紹了基于FPGA和NI工控機實現(xiàn)的FIFO SRAM電路單粒子效應(yīng)監(jiān)測平臺的研究和設(shè)計。

2　電路功能介紹

電路功能框圖如圖1所示。

圖1　功能框圖

3　試驗電路板及試驗系統(tǒng)

單粒子輻射試驗裝置如圖2所示。試驗檢測系統(tǒng)通過電纜與DUT板連接，DUT板放置在加速器的真空室內(nèi)，加速器中輻射離子入射到被測電路上，試驗檢測系統(tǒng)監(jiān)測和記錄產(chǎn)生的單粒子效應(yīng)。

圖2　單粒子輻射裝置示意圖

試驗系統(tǒng)如圖3所示。

單粒子試驗系統(tǒng)由DUT測試板（含下位機控制軟件）、NI工控機、網(wǎng)絡(luò)連接線、上位機控制軟件等組成。

圖3　單粒子試驗系統(tǒng)框圖

輻照試驗電路板（簡稱DUT測試版，上置有被輻射芯片及控制、輔助芯片，板上控制芯片內(nèi)置下位機控制軟件）通過安裝架安裝在真空腔內(nèi)，所選離子源通過離子加速器入射到被輻射電路上，DUT測試板通過長約1.5～2 m的轉(zhuǎn)接線連接到真空腔轉(zhuǎn)接頭，再通過轉(zhuǎn)接頭與NI工控機連接，經(jīng)過50 m左右網(wǎng)絡(luò)長線到達輻照室外環(huán)境中的計算機（安裝上位機軟件，顯示翻轉(zhuǎn)情況與鎖定情況），實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

DUT測試板的構(gòu)成如圖4所示。由FPGA、電平轉(zhuǎn)換（SN74ALVC164245）、電源等芯片以及被測芯片組成。FPGA為主控芯片，內(nèi)置下位機控制程序，控制FIFO SRAM的工作狀態(tài)，并完成FIFO SRAM在輻射環(huán)境下單粒子翻轉(zhuǎn)的檢測工作。DUT測試板實物如圖5所示。

圖4　DUT測試板的硬件構(gòu)成示意圖

4　軟件設(shè)計

試驗系統(tǒng)軟件部分包含上位機軟件和下位機軟件，二者通過串口實現(xiàn)命令的發(fā)送和信息的上傳。

圖5　DUT測試板

上位機軟件是使用NI工控機的Labview集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)的測試軟件。軟件涵蓋了兩方面功能，一是為單粒子實驗板供電，并實時監(jiān)測被測芯片電流；二是與下位機系統(tǒng)通信，控制實驗的進行和數(shù)據(jù)的采集。下面詳細描述這兩部分功能。

供電與電流監(jiān)測部分：上位機通過NI供電板卡為單粒子實驗板供電，并實時監(jiān)測被測芯片電流，使用Labview軟件記錄電流值。

控制實驗和采集數(shù)據(jù)部分：試驗的配置和開始由上位機界面控制，上位機完成被測試工位的選擇。在配置完成后，上位機發(fā)送開始命令進入測試階段。在測試中，上位機接收下位機發(fā)送的各項信息，并實時顯示在上位機操作界面上供實驗人員監(jiān)控。

上位機軟件界面如圖6所示。

圖6　上位機單粒子檢測界面

上位機通過串口向下位機發(fā)送命令選擇4片F(xiàn)IFO SRAM中的1片作為被檢測芯片，其余3片芯片處于StandAlone不工作狀態(tài)。下位機程序不間斷地寫滿讀空被選擇的FIFO SRAM，監(jiān)測存儲陣列中數(shù)據(jù)的翻轉(zhuǎn)并記錄翻轉(zhuǎn)bit數(shù)以及讀、寫指針的翻轉(zhuǎn)情況，將上述3組檢測信息通過串口實時發(fā)送給上位機。使用Labview軟件記錄翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。

下位機軟件使用Verilog代碼設(shè)計并在FPGA上實現(xiàn)，負責被測芯片的控制、讀寫，以及SEU現(xiàn)象的監(jiān)測與統(tǒng)計。監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)通過串口實時發(fā)送到上位機上，由上位機顯示，供實驗人員掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)。

下位機接收上位機發(fā)送的命令，選擇4個工位中的1個進行測試。通過周期性地寫滿、讀出，校驗讀寫數(shù)據(jù)的一致性來判斷被測芯片是否發(fā)生了SEU現(xiàn)象，讀寫頻率10 MByte/s。為保證測試數(shù)據(jù)的有效性，下位機以棋盤格方式交替寫入0x155和0x0AA數(shù)據(jù)，并在每次寫滿、讀空后切換兩種數(shù)據(jù)的寫入順序。

下位機單粒子檢測流程示意圖如圖7所示。

圖7 單粒子翻轉(zhuǎn)下位機檢測流程示意圖

圖7顯示了下位機程序流程圖，系統(tǒng)上電后，等待上位機發(fā)送片選并開始測試命令。下位機選擇對應(yīng)芯片開始測試，并通過串口實時上傳測試信息。

5　系統(tǒng)測試結(jié)果

采用本測試系統(tǒng)對FIFO SRAM進行了試驗。試驗證明系統(tǒng)可以滿足FIFO SRAM測試的需求。最終在中國原子能科學(xué)研究院核物理研究所的HI-13串列加速器和蘭州近代物理研究所的回旋加速器使用該系統(tǒng)對FIFO SRAM進行了單粒子翻轉(zhuǎn)SEU和單粒子鎖定SEL測試，取得了較為滿意的結(jié)果。表1為Ti離子效應(yīng)測試結(jié)果，表2為Ge離子效應(yīng)測試結(jié)果，表3為Bi離子效應(yīng)測試結(jié)果，結(jié)果顯示能正確計數(shù)各種翻轉(zhuǎn)數(shù)量用以分析。

6　結(jié)束語

本文基于FPGA測試板和LabVIEW設(shè)計的虛擬儀器相結(jié)合的方式，設(shè)計了一款FIFO SRAM測試系統(tǒng)，并根據(jù)單粒子效應(yīng)測試的特點在下位機和上位機兩部分分別進行了針對性的設(shè)計，尤其是增加了監(jiān)控讀寫指針翻轉(zhuǎn)的測試，能夠更全面地分析單粒子翻轉(zhuǎn)的原因，并為設(shè)計人員指明芯片加固的方向。

表1　Ti離子效應(yīng)測試結(jié)果離子：Ti；能量：160 MeV；LET值：22.2 MeV·mg/cm2；Si中射程：32.9 μm

表2　Ge離子效應(yīng)測試結(jié)果離子：Ge；能量：210 MeV；LET值：37.3 MeV·mg/cm2；Si中射程：30.5 μm

表3　Bi離子效應(yīng)測試結(jié)果離子：Bi；能量：923.2 MeV；LET值：99.8 MeV·mg/ cm2；Si中射程：33.7 μm

［1］ IDT7205電路手冊［M］.

［2］ GJB 548B-2005. 微電子器件試驗方法和程序［S］.

［3］ 夏宇聞. Verilog 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程［M］. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［4］ 楊樂平. Lab VIEW高級程序設(shè)計［M］. 北京：清華大學(xué)出版社，2003.

The Single Events Effects Monitoring System of FIFO SRAM

LIU Yongcan， PAN Bin， LI Aiping
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute， Wuxi 214035， China）

With the development of aviation and aerospace industry， devices'anti-irradiation performance is becoming more and more important.Therefore， the application testing of the anti-irradiation index has become more critical. Based on FPGA and NI controller， an data acquisition and test system with four channels was designed in this paper.The system was used to monitor SEU effects and SEL effects in FIFO SRAM's single event experiment. The sampling rate can reach 50MHZ， and the read-write frequency of device can reach 10Mbytes. The system realized the remote monitoring of FIFO SRAM's single event experiment. In the process of monitoring SEU， both memory's SEU effects and read-write pointer's SEU effects were monitored. Thereliability of this system was verified in actual single event effects test.

the single events effects； memory test； NI controller

TN402

A

1681-1070（2015）12-0023-04

劉永燦（1984—），男，安徽碭山人，畢業(yè)于江南大學(xué)，工程師，主要從事抗輻照器件應(yīng)用技術(shù)研究工作。

2015-8-18