數字信號處理大氣中子單粒子效應（SEE）試驗研究

閆飛 閆攀峰

摘要：本文針對4型航空常用的數字信號處理（DSP）進行了大氣中子單粒子效應試驗，對輻照條件、試驗環(huán)境、試驗件安裝及監(jiān)測方法進行研究，并對試驗結果進行了數據處理及分析。試驗結果表明，該4型DSP在14WV中子輻射下均發(fā)生了單粒子翻轉（SEU是單粒子效應中的一種模式），TMS320C6416TBGLZA8、TMS320C6418ZTSA500、TMS320F2812及SM32C6415E-GLZ50SEP的單粒子翻轉截面分別為1.91e-7cm²/device、6.62e-7cm²/device、8.82e-9cm²/device及1.62e-7cm²/device，在12000m處的飛行高度下，器件發(fā)生的單位翻轉率分別為1.15e-03n/（device·h）、3.97e-03n/（device·h）、5.29e-05n/（device·h）、及9.69e-04n/（device·h）。

關鍵詞：數字信號處理;單粒子翻轉;截面;單粒子翻轉率;大氣中子

中圖分類號：V21 文獻標識碼：A

大氣中子是初級宇宙射線與地球大氣中的氧、氮等發(fā)生核反應生成的次級粒子。在12000m高度下，大氣中子的能量可高達1000MeV，注量率為地面中子注量率的300倍左右[1]。大氣中子單粒子效應對數字信號處理（DSP）的影響已經成為國內外研究熱點，據國外大量研究表明，DSP內部存儲單元在高能中子的作用下會發(fā)生單粒子效應，如單粒子翻轉、單粒子功能中止等。美國聯邦航空局（FAA）于2005年發(fā)布咨詢通告AC 20-152，要求專用集成電路（ASIC）、可編程邏輯器件（PLD）、現場可編程門陣列（FPGA）等復雜電子器件應符合DO-254中第2.3.1.2.h條款，條款中提出在硬件設計中對翻轉效應進行防護[2]。

近年來，我國航空事業(yè)得到蓬勃發(fā)展，為進一步提高民用航空電子設備的可靠性及安全性，國內已開始關注大氣中子單粒子效應的防護。為指導民用航空電子設備大氣中子單粒子效應防護設計工作，迫切需要開展航空復雜電子器件的中子單粒子效應試驗研究。本文為國內首次針對DSP器件開展的大氣中子單粒子效應地面驗證試驗[3]。

1 試驗樣品

1.1 受試器件

受試器件為T1公司生產的TMS320X系列及SM32C64X系列DSP，所選器件在進行中子單粒子效應試驗之前，已通過規(guī)定的相關試驗和電性能測試。受試器件詳細信息見表1。

1.2 受試DSP單粒子效應敏感單元

（1）TMS320F2812型DSP

該器件對大氣中子單粒子效應敏感的存儲單元包括288K bit的單通道隨機存儲器（SARAM），內部存儲單元詳見表2[4]。

（2）TMS320C6418ZTSA500型DSP

該器件對大氣中子單粒子效應敏感的存儲單元包括128K bit程序存儲器（LIP）、128K bit數據存儲器（LID）、4M bit統(tǒng)一映射存儲器/緩存（L2），內部存儲單元詳見表3[5]。

（3）TMS320C6416型與SM320C6415型DSP

對大氣中子單粒子效應敏感的存儲單元包括128K bit程序存儲器（LIP）、128K bit數據存儲器（LID）、8M bit統(tǒng)一映射存儲器/緩存（L2），內部存儲單元詳見表4[6，7]。

2 試驗設計

2.1 標準大氣條件

溫度：15～35℃;相對濕度：20%～80%;氣壓：標準環(huán)境大氣壓（約760mm汞柱）。

2.2 試驗輻照條件

（1）輻射源：高壓倍加器產生的14MeV中子。（2）輻照不均勻性：試驗件中敏感器件接受到中子輻照不均勻性≤±10%。（3）注量率：10²～10⁶n/（cm²·s）。（4）注量：使被試件接受的平均中子注量達到10⁹n/cm²或達到100個單粒子翻轉后可中止輻照。（5）屏蔽：輻照源與試驗件之間使用4mm鋁板進行屏蔽。（6）工作狀態(tài)：受試器件試驗期間保持靜止，輻照前后，記錄數據狀態(tài)的改變。（7）擺放：（a）受試器件的平均垂直于受試器件的中心與靶心的連線;（b）受試器件的中心位置距離中子源至少80cm。

2.3 試驗裝置

試驗裝置詳見表5。

2.4 器件監(jiān)測條件

通過仿真器回讀DSP中的內部存儲單元，測試系統(tǒng)原理圖如圖1所示，回讀數據與輻照前的回讀數據相比較，統(tǒng)計翻轉的比特數。中子輻射中被監(jiān)測的對象見表6。

3 試驗實施

3.1 試驗件的安裝

試驗系統(tǒng)主要由14MeV中子輻照源、中子注量率監(jiān)測儀、屏蔽板、受試DSP、電源、導線、及測試機臺等組成，試驗系統(tǒng)布局如圖2所示。

3.2 試驗流程圖

中子輻照前，對受試器件進行配置并回讀，保存回讀數據作為參照數據，在輻照期間，受試器件保持靜態(tài)狀態(tài)，輻照后讀出受試單元的數據，與參照數據相比較，統(tǒng)計翻轉次數。試驗流程如圖3所示。

（1）寫入配置文件，對器件進行配置;（2）回讀并保存回讀文件;（3）記錄工作電壓和功耗電流;（4）開始輻照;（5）輻照至一定注量后，暫停;（6）記錄工作電壓和功耗電流;（7）回讀并與輻照前回讀文件比較統(tǒng)計發(fā)生翻轉數;（g）當翻轉數達到100個時停止輻照，如果沒有100個翻轉，則重復（4）～（7）步驟直到注量達到10⁹n/cm²時停止輻照;（9）通過加載、回讀，確定電流及回讀功能正常。

4 試驗數據及分析

4.1 試驗數據

試驗原始數據見表7。

4型DSP單粒子翻轉數隨中子輻射注量變化如圖4～圖7所示，從圖可以看出，單粒子翻轉數隨中子輻射注量呈現為線性關系，表明試驗所選用的中子輻射注量率的大小合理，試驗數據科學可靠。

TMS320C6418型DSP中子單粒子效應翻轉數隨注量變化如圖5所示。

TMS320C6416型DSP中子單粒子效應翻轉數隨注量變化如圖6所示。

SM320C6415型DSP中子單粒子效應翻轉數隨注量變化如圖7所示。

4.2 單粒子翻轉截面計算

單粒子翻轉敏感截面計算如式（1）和式（2）所示：式中：σ_bit為每存儲位（bit）的單粒子翻轉截面值，單位cm²/bit;N為翻轉數;F為試驗中子總注量，單位n/cm²;bit_total為受試bit總數。式中：σ_devic為器件單粒子翻轉截面值，單位cm²/device。

根據式（1）和式（2），計算得出4種型號DSP器件的單粒子效應敏感截面值，見表8。

4.3 單粒子翻轉率計算

航空復雜電子器件任務期間所遭受的大氣中子注量率視任務飛行高度、維度情況而定。在12000m飛行高度上，器件遭受的大氣中子國際典型值為6000n/（cm²·h），DSP器件大氣中子單粒子翻轉率如式（3）所示：式中：SEE_rate-device為器件單粒子效應翻轉率，單位n/（device·h）;FLUX為典型工們洞鏡下的中子注量，本次取值6000n/（cm²·h）;A為加權系數，取值與器件特征尺寸相關，一般情況建議，特征尺寸≤90mn，取值為1;特征尺寸為90～130nm之間，取值為1.5;特征尺寸大130nm的工藝器件，A取值為2。見表9。

5 結論

國外大量研究表明，DSP器件是一種大氣中子單粒子效應敏感器件，這種器件廣泛使用在復雜航空電子設備中。為了驗證及掌握該類器件的大氣中子單粒子效應失效機制，填補國內DSP器件大氣中子單粒子效應試驗空白，本文設計了一套地面模擬試驗，包括試驗樣品敏感架構分析、試驗設計、試驗實施和試驗數據及分析等。

本文通過DSP器件中子單粒子效應試驗結果進行數據分析，計算器件敏感截面及對模擬真實飛行條件的器件失效率預估可以看出，DSP器件是大氣中子單粒子效應敏感器件，帶存儲單元的功能模塊會發(fā)生單粒子翻轉（SEU）等中子單粒子效應。

參考文獻

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[2]RTCA DO-254 Design assurance guidance for airborne elec-tronic hardware[S].RTCA，Washington，DC，2000.

[3]IEC/TS-62396 Part2 Guidelines for single event effects testingfor avionics systems Process management for avionics[S].2008.

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[5]TMS320C6418 Fixed point digital signal processor data man-ual[Z].Texas Instrument，2005.

[6]TMS320C6414T，TMS320C6415T，TMS320C6416T Fixed-point digital signal processor[Z].Texas Instrument，2006.

[7]SM320C6414-EP，SM320C6415-EP，SM320C6416-EPFixed point digital signal processor[Z].Texas Instrument，2008.