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].電子技術應用，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
全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)是所有衛星導航系統的統稱，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的無線電導航信號，為空間和地面用戶提供定位、定時、測距、導航等服務。隨著全球導航衛星系統及其相關產業的不斷發展，GNSS技術得到了越來越廣泛的應用，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，對國產器件提出了新的挑戰。
星載抗輻射GNSS接收機ASIC芯片是GNSS接收機小型化、低功耗與國產化的關鍵。隨著制造工藝的提高，ASIC的規模越來越大，功能越來越復雜，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、節點尺寸、深度、氧化層的厚度等都相應減小，PN結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（Single Event Effect，SEE）更加敏感[1]。軌道環境中充滿了來自宇宙的各種高能離子——質子/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計，尤其是抗輻射加固設計與驗證尤為重要。
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，沒有統一的判定方法。為此，本文根據產品設計功能和性能指標要求，設計了一種針對65 nm星載抗輻射GNSS接收機ASIC的SEFI實驗方法。
1 設計原理
1.1 芯片工作原理
星載抗輻射GNSS接收機ASIC在國內首次采用65 nm七層金屬的硅柵CMOS工藝，抗輻射標準單元設計，包含SRAM 結構，主要完成導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/同步信號等脈沖產生、串口通信等功能，為GNSS信號控制解算數字信號處理器(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導航信號，內部包含：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)對芯片進行參數配置，使得ASIC芯片的應用變得更加靈活。星載抗輻射GNSS接收機ASIC芯片結構框圖如圖1所示。
1.2 測試輸入信號
根據1.1小節對芯片功能的描述，如果要讓ASIC正常工作，必須輸入的激勵信號包括：GPS L1C/A數字中頻信號、GPS L2C數字中頻信號、L2P數字中頻信號、B1I數字中頻信號、B3I數字中頻信號、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、捕獲/跟蹤引擎初始化參數。參數和控制寄存器的配置主要是通過EMIF接口，對ASIC內部相應的D觸發器或者SRAM寫入相應的信息實現的，實現方法相對簡單并且統一。為了能夠對ASIC芯片的核心功能——捕獲和跟蹤性能進行長時間的實時測試，芯片外部就需要產生5種模擬的數字中頻信號，分4路進入芯片內部進行處理。但是，實際上在某個參數條件下，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種數字中頻信號作為芯片輸入，并將芯片內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種數字中頻輸入由FPGA實時發生，產生算法參考文獻[2-4]，并連續不斷地送給待測芯片。
1.3 芯片內部配置
對芯片內部控制寄存器和數據SRAM的配置，主要是通過EMIF接口來實現的。EMIF接口可以對芯片內部多個寄存器和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位數據總線，使能信號均為低電平有效。為了保證寫入數據的正確性，CS使能有效時間應該寬于WE，避免寫入數據失敗。
1.4 數據判讀
對于芯片內部數據的讀取，仍然通過EMIF接口進行。通過對芯片內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，特別是捕獲和跟蹤通道的輸出數據是否因為單粒子效應而發生了異常。圖3給出了EMIF接口的數據讀取時序圖，其中OE是EMIF接口的輸出使能信號，低有效。此時，32位數據總線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兩個芯片的輸出數據。設A片輸出為yA，B片輸出為yB，則：
(1)若|yA|不等于|yB|，那么必定發生SEU事件；
(2)若|yA|>2|yB|或者|yA|<|yB|/2，且3秒內無法恢復，則發生一次SEFI。
2 實現方案
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進行激勵信號產生以及芯片輸出判讀，當發生一次SEU或SEFI時，相應計數器值加一；SEU和SEFI的次數計數值通過FPGA的RS232接口發送給上位機；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復位以后，FPGA給芯片A/B以及FPGA內的測試激勵生成部分提供時鐘clk_in和復位信號GlbRst，復位完成后，測試系統運行過程如下：
(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接口參數配置、LVDS接口參數配置、前置FIR濾波器系數配置；
(2)B1I捕獲引擎參數寄存器配置，本地偽碼存儲SRAM配置；
(3)B1I/B3I跟蹤通道參數寄存器配置，本地偽碼存儲SRAM配置；
(4)L1C/A捕獲引擎參數寄存器配置，本地偽碼存儲SRAM配置；
(5)L1C/A跟蹤通道參數寄存器配置；
(6)L2C和L2P跟蹤通道參數寄存器配置；
(7)使能芯片所有捕獲跟蹤通道，開始進入工作狀態；
(8)FPGA開始持續發送B1I/B3I/L1CA/L2P/L2C數字中頻輸入；
(9)FPGA每隔1.3 ms(系統時鐘61 MHz)讀取一次芯片A/B的所有通道的捕獲和跟蹤結果，并依照1.3小節所述判據進行判別；
(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，這保證了SEFI實驗結果的可靠度，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、路由器通過網線與PC1相連；PC1控制電源設備、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；通過串聯多用表來檢測被測器件的工作電流，當發生單粒子栓鎖事件時，程控電源可自動斷電；PC2通過網線與試驗室內的PC1相連并遠程控制PC1；電源控制模塊通過USB數據線與PC1連接。系統連接圖如圖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功能中斷數達到規定值，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(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軌道優于5×10-5次/天·器件，滿足指標要求。
4 結論
本文所述輻照實驗方案電路簡單可靠，易于實現，不需要復雜的單機運行設備就可以讓芯片正確地運行在全功能狀態，大大簡化了SEFI實驗的復雜度，縮短了產品研發周期。實驗證明：國內首款星載65 nm抗輻射加固GNSS接收機基帶處理ASIC 芯片功能/性能滿足用戶設計預期，SEFI錯誤率滿足指標要求。
參考文獻
[1] 邢克飛.星載信號處理平臺單粒子效應檢測與加固技術研究[D].長沙：國防科學技術大學，2007.
[2] 謝剛．全球導航衛星系統原理[M]．北京：電子工業出版社，2013.
[3] 北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件(2.0版).[EB/OL].[2013-12].www.beidou.gov.cn.
[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
(中國航天電子技術研究院772所，北京100076)