一種單粒子輻照實驗測試裝置、系統及方法與流程

2023-08-10 05:34:41

本發明涉及空間輻照測試領域，特別涉及一種單粒子輻照實驗測試裝置、一種單粒子輻照實驗測試系統及一種單粒子輻照實驗測試方法。

背景技術：

運行在宇宙空間中的各類人造衛星、空間探測器等太空飛行器的微電子器件都會受到來自空間的宇宙射線的輻照影響，會嚴重影響太空飛行器的在軌運行安全，在經濟和軍事上造成難以估量的重大損失。星載器件的輻照損害可分為單粒子效應、總劑量效應和位移損傷效應。相比總劑量效應和位移損傷效應，單粒子翻轉、單粒子鎖定、單粒子功能中斷、單粒子燒毀等多種類型的單粒子效應已成為影響航天正常工作的重要因素。隨著半導體技術的發展，太空飛行器器件的特徵尺寸減小，集成度提高，器件對單粒子效應越發敏感，因此單粒子效應評估在航天工程的各個階段都起到不可或缺的作用，對於提高衛星壽命和可靠性具有重要意義。

在航天工程的設計階段，器件的單粒子效應評估主要依賴於地面模擬實驗。地面模擬單粒子效應最常用的手段是利用加速器產生的重離子轟擊微電子器件，誘發單粒子事件並進行相關的測試和研究。

在地面模擬試驗中，需要一套單粒子輻照試驗系統，才能進行器件的單粒子試驗。針對不同的測試器件，因為器件的屬性千差萬別，所以需要重新定製一套適合該器件的單粒子輻照試驗系統。現有技術缺乏一種可適應不同類型測試器件的通用的單粒子輻照試驗系統。

技術實現要素：

本發明技術方案所解決的技術問題為，如何提供一種可適應不同類型測試器件的單粒子輻照試驗系統。

為了解決上述技術問題，本發明技術方案提供了一種單粒子輻照實驗測試裝置，包括：測試母板及與所述測試母板連接的測試子板，所述測試子板與測試器件對應設置；所述測試母板適於接收外部遠程操作計算機發送的控制數據並基於所述控制數據控制所述測試子板對所述測試器件進行測試，並將當前測試數據反饋至所述外部遠程操作計算機。

可選的，所述控制數據包括：測試場景配置數據、參數數據及控制命令。

可選的，所述測試母板包括：第一處理模塊及第二處理模塊；所述第一處理模塊適於存儲並運行BOOT軟體，以接收所述外部遠程操作計算機發送的輻照試驗軟體及跳轉指令，加載運行所述輻照試驗軟體的ARM程序，所述第二處理模塊適於加載運行所述輻照試驗軟體的FPGA程序；所述BOOT軟體接收到所述跳轉指令後，所述第一處理模塊和所述第二處理模塊共同運行、相互配合以控制所述測試子板對所述測試器件進行測試。

可選的，所述第一處理模塊為ARM模塊，所述第二處理模塊為FPGA模塊。

可選的，所述單粒子輻照實驗測試裝置還包括：母板電源及子板程控電源；所述母板電源適於為所述測試母板供電，所述子板程控電源適於接收所述測試母板的電源配置信息並為所述測試子板供電；所述測試母板還適於通過配置接口配置監控所述子板程控電源提供的電源以在所述電源超過閾值時發出所述電源配置信息以控制所述子板程控電源的電源輸出。

為了解決上述技術問題，本發明技術方案還提供了一種單粒子輻照實驗測試系統，包括如上所述的單粒子輻照實驗測試裝置及遠程操作計算機，所述遠程操作計算機適於根據輸入的操作數據發送所述控制數據，並保存所述測試數據。

為了解決上述技術問題，本發明技術方案還提供了一種單粒子輻照實驗測試方法，基於如上所述的單粒子輻照實驗測試裝置，包括：

運行所述測試母板以接收輻照試驗數據包；

基於所接收的輻照試驗數據包運行所述輻照試驗軟體。

可選的，所述運行所述測試母板並接收輻照試驗數據包包括：

拷貝所述運行所述測試母板並接收輻照試驗數據包至存儲區域；

校驗所接收的輻照試驗數據包；

在校驗正確時獲取當前輻照試驗數據包的序號並接收下一序列號的輻照試驗數據包；

若所有序號的輻照試驗數據包都接收完畢則根據所述外部遠程操作計算機發送的跳轉指令運行所述輻照試驗軟體。

可選的，所述基於所接收的輻照試驗數據包運行所述輻照試驗軟體包括：

拷貝輻照試驗軟體至其運行空間；

引導、執行輻照試驗軟體以控制所述測試子板對所述測試器件進行測試。

可選的，所述引導、執行輻照試驗軟體以控制所述測試子板對所述測試器件進行測試包括：

選擇與本次測試器件對應的輻照試驗軟體，並獲取所選輻照試驗軟體的數據包；

接收所有所選輻照試驗軟體數據包及跳轉命令，所述跳轉命令指向所述輻照試驗軟體的運行；

執行跳轉命令以運行所述輻照測試軟體，接收遠程操作計算機的配置參數和命令以對所述測試器件進行測試。

本發明技術方案的有益效果至少包括：

本發明技術方案通過相連接的測試母板與測試子板實現針對不同類型測試器件的輻照檢測，針對不同類型的測試器件，測試子板需根據參試器件重新設計，但是測試母板硬體不需重新設計，測試母板的功能可以根據要求通過軟體重新定義，外部遠程操作計算機的軟體可需要根據要求做適應性修改，在此基礎上，針對本發明的軟體定義，可實現測試系統的通用性，可實現對不同測試器件的檢測，並採集測試數據。

本發明技術方案具有平臺化、通用化、柔性化特點，可以測試各種太空飛行器件，針對每種測試器件不需要再定製適合該器件的單粒子試驗系統，而可實現測試系統的通用性；本發明技術方案可節省時間、降低試驗成本、提高測試系統的穩定性。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其他特徵、目的和優點將會變得更明顯：

圖1為本發明技術方案提供的一種單粒子輻照實驗測試裝置的結構示意圖；

圖2為本發明技術方案提供的另一種單粒子輻照實驗測試裝置的結構示意圖；

圖3為本發明技術方案提供的另一種單粒子輻照實驗測試系統的結構示意圖；

圖4為本發明技術方案提供的一種測試母板的結構示意圖；

圖5為本發明技術方案提供的一種執行BOOT軟體的流程示意圖；

圖6為本發明技術方案提供的一則執行BOOT軟體的實例流程示意圖；

圖7為本發明技術方案提供的一種遠程操作計算機執行輻照試驗的流程示意圖；

圖8為本發明技術方案提供的MRAM晶片單粒子輻照試驗控制流程示意圖；

圖9為本發明技術方案提供的Nand Flash晶片單粒子輻照試驗控制流程示意圖。

具體實施方式

為了更好的使本發明的技術方案清晰的表示出來，下面結合附圖對本發明作進一步說明。

本發明技術方案首先提供一種單粒子輻照實驗測試裝置，如圖1所示，包括：測試母板及與所述測試母板連接的測試子板，所述測試子板承載對應的測試器件。也就是說，針對不同測試器件，所述測試母板上運行的所述單粒子輻照試驗軟體是不同的，該軟體因為不同的測試器件屬性、不同的器件測試流程而有區別。

所述測試母板適於接收外部遠程操作計算機發送的控制數據並基於所述控制數據控制所述測試子板對所述測試器件進行測試，並將當前測試數據反饋至所述外部遠程操作計算機。所述控制數據包括：測試場景配置數據、參數數據及控制命令。所述測試場景配置數據與測試器件對應的測試軟體有關，也可以認為是測試軟體的數據包，所述參數數據即根據一次測試器件所輸入或預存選擇的測試參數，所述控制命令即測試人員在所述外部遠程操作計算機進行輸入的有關本次測試的指令數據。

所述測試母板在上電後加載運行BOOT軟體，接收外部遠程操作計算機發送的輻照試驗軟體並運行後，會基於所述測試場景配置參數數據及控制命令執行本次器件的測試工作，測試母板還採集測試過程中的測試數據並反饋至外部遠程操作計算機。

具體的，所述測試母板包括：第一處理模塊及第二處理模塊；所述第一處理模塊適於存儲並運行BOOT軟體，以接收所述外部遠程操作計算機發送的輻照試驗軟體及跳轉指令，加載運行所述輻照試驗軟體的ARM程序，所述第二處理模塊適於加載運行所述輻照試驗軟體的FPGA程序；所述BOOT軟體接收到所述跳轉指令後，所述第一處理模塊和所述第二處理模塊共同運行、相互配合以控制所述測試子板對所述測試器件進行測試。其中，所述第一處理模塊為ARM模塊，所述第二處理模塊為FPGA模塊。

圖2為本發明技術方案提供的另一種單粒子輻照實驗測試裝置，除了包括如圖1所示的測試母板及測試子板，還包括：母板電源及子板程控電源。

所述母板電源適於為所述測試母板供電，所述子板程控電源適於接收所述測試母板的電源配置信息並為所述測試子板供電；所述測試母板還適於通過配置接口配置監控所述子板程控電源提供的電源以在所述電源超過閾值時發出所述電源配置信息以控制所述子板程控電源的電源輸出。

在本發明技術方案中，測試母板是軟體定義的單粒子輻照試驗系統的核心部分，通過測試母板上的接插件，與承載測試器件的子板連接，給子板供電，並與子板通信；接收遠程操作計算機發送的測試場景配置程序、參數和控制命令，同時把當前的測試數據反饋給遠程操作計算機；根據遠程操作計算機設置的測試場景配置程序和參數，執行相應的測試操作，並收集測試數據；通過USB轉GPIB接口，配置子板程控電源，並監控其供電電流，當超過閾值時，關閉程控電源輸出。測試子板是承載測試器件的子板，通過接插件與測試母板連接，每個類型的測試器件，需要重新設計一個測試子板。子板程控電源是通用程控直流電源給子板上的測試器件供電，具體的，子板程控電源是通過GPIB接口，接受測試母板的控制。母板電源通用直流電源，給測試母板供電。

圖3為本發明技術方案提供的一種單粒子輻照實驗測試系統，其包括：測試母板，測試子板，子板程控電源，母板電源，遠程操作計算機。其中測試母板、測試子板、子板程控電源、母板電源位於輻照試驗室內，遠程操作計算機位於試驗監控室內。

遠程操作計算機位於輻照試驗監控室內，操作人員通過遠程操作計算機，發出各種測試場景的配置程序、參數命令和控制命令，同時接收並保存測試母板發送的測試數據。

每種測試器件，需要設計不同的測試子板，測試子板通過接插件與測試母板連接。測試母板是通過測試母板上的接插件，與承載測試器件的測試子板連接，給子板供電，並與子板通信；接收遠程操作計算機發送的測試場景配置程序、參數和控制命令，同時把當前的測試數據反饋給遠程操作計算機；根據遠程操作計算機設置的測試場景配置程序和參數，執行相應的測試操作，並收集測試數據；通過USB轉GPIB接口，配置子板程控電源，並監控其供電電流，當超過閾值時，關閉程控電源輸出。子板程控電源除了給測試子板供電外，還受測試母板的監視和控制。母板電源只給測試母板供電。遠程操作計算機運行試驗控制軟體，操作人員通過遠程操作計算機，發出各種測試場景的配置程序、參數命令和控制命令，同時接收並保存測試母板發送的測試數據。

結合圖3及圖4，測試母板還提供接口給測試子板，接口含有：I2C接口、SPI接口、RS232接口、RS422接口、CAN接口、LVDS接口、1553B接口、USB接口、乙太網接口、EMIF總線接口、SDIO接口、通用I/O接口、供電接口。這些接口可以根據具體要求，通過軟體定義進行裁剪，選擇上述接口的一種或若干種進行定義連接。

在本發明所提供的的單粒子輻照試驗系統中的測試母板的主晶片採用ARM+FPGA架構，可充分利用ARM強大的處理能力和FPGA強大的軟體重配置能力；測試母板運行的軟體，分為固定不變的BOOT軟體和根據參試器件具體的試驗要求而定製的輻照試驗軟體兩部分，且這兩部分軟體分別運行於獨立的地址空間。測試母板剛上電時運行BOOT軟體，BOOT軟體正確接收完遠程操作計算機發送的輻照試驗軟體後，輻照試驗軟體將加載在自己的運行空間內，一旦BOOT軟體接收到跳轉指令，系統將會跳轉到輻照試驗軟體的入口地址，運行輻照試驗軟體，完成參試器件的單粒子輻照試驗。

本發明所述單粒子輻照試驗系統中的遠程操作計算機位於輻照試驗監控室內。操作人員通過遠程操作計算機，發出各種測試場景的配置程序、參數命令和控制命令，同時接收並保存測試母板發送的測試數據。運行於遠程操作計算機上的試驗控制軟體，試驗控制軟體必須包含通用的發送定製的輻照試驗軟體的功能，還需要根據參試器件的試驗要求，進行適應性修改，完成具體的試驗流程。

繼續參考圖4所示的測試母板結構示意圖，測試母板由與測試子板接口和控制模塊組成。

對於與測試子板接口部分，主要由接插件組成，作為測試母板給測試子板供電和通信的接口。可提供的接口有：

1)I2C接口：兩路，一路測試母板為從節點，一路測試母板為主節點。

2)SPI接口：具備雙向SPI通信功能，可配置測試母板為主節點或從節點。

3)RS232接口：具備一路全雙工通信功能的RS232接口。

4)RS422接口：具備兩路三線制同步RS422接口，或者六路單工通信功能的異步RS422接口。

5)CAN接口：提供兩路CAN總線通信接口。

6)LVDS接口：提供收、發兩路三線制同步LVDS接口。

7)1553B接口：提供兩路1553B通信接口。

8)USB接口：提供一路具備USB-OTG功能的接口。

9)乙太網接口：提供一路乙太網接口。

10)EMIF總線接口：提供一路EMIF總線接口，測試母板可配置為EMIF總線控制器，可訪問測試子板上的SRAM、MRAM、PROM、EEPROM、NorFlash、Nand Flash、SDRAM等存儲器；也可配置為類存儲器形式，供測試子板上的EMIF總線控制器訪問。

11)SDIO接口：提供一路SDIO接口。

12)通用I/O接口：提供不小於6路通用I/O接口。

13)供電接口：提供不小於4路不同電壓的供電。

這些接口可根據參試器件的試驗要求，在測試過程中，通過軟體定義進行裁剪。

對於測試母板的控制模塊，其硬體組成有：

1)ZYNQ晶片：選用ZYNQ系列晶片作為控制模塊的核心器件，該晶片為Xilinx推出的一種新的可擴展平臺架構，將兩個ARM Cortex-A9 MPCore處理器核和Xilinx的基於28nm技術的7系列FPGA架構集成了一起，可將處理器的強大處理能力和FPGA的靈活性充分結合在一起。ZYNQ晶片的特性，是實現軟體定義的單粒子輻照試驗系統的硬體基礎。

2)存儲器：分為DDR存儲器和Flash存儲器，所有的程序運行於DDR存儲器中，Flash存儲器只存儲BOOT程序。

3)網口：通過網線與遠程操作計算機通信。

4)時鐘：提供ZYNQ晶片正常工作所需要的時鐘源信號。

5)電源單元：把母板電源輸入電壓變換為ZYNQ晶片正常工作所需要的各種電壓。

6)USB接口：測試母板通過USB轉GPIB接口線，與子板程控電源通信。

對於測試母板控制模塊的軟體，運行於ZYNQ平臺上，分成兩個獨立的軟體，BOOT軟體和單粒子試驗軟體，分別在內存DDR中佔有獨立的運行空間。

對於BOOT軟體，BOOT軟體存儲於測試母板的Flash存儲器中，測試母板上電時，ZYNQ自動把BOOT軟體從Flash中拷貝到運行內存DDR中，運行BOOT軟體，該BOOT軟體在內存DDR中運行的地址空間為0x0000000～0x1FFFFFF。

BOOT軟體完成的功能固定單一，主要為：

1)具備網絡通信功能；

2)按照約定通信協議，具備接收遠程操作計算機發送的單粒子試驗軟體二進位可執行代碼功能，可對接收代碼進行校驗，並加載在單粒子試驗軟體運行的DDR內存地址空間內；

3)接收遠程操作計算機的指令，跳轉至單粒子試驗軟體的入口執行地址，執行正式的單粒子輻照試驗。

基於本發明技術方案所提供的上述裝置或系統，一種單粒子輻照實驗測試方法包括：運行所述測試母板以接收輻照試驗數據包；以及，基於所接收的輻照試驗數據包運行所述輻照試驗軟體。其中，輻照試驗軟體分為運行於第一處理單元的ARM程序和運行於第二處理單元的FPGA程序，運行於所述測試母板內，以對測試子板對應的所述測試器件進行測試。

其中，運行所述測試母板包括執行所述BOOT軟體。

具體的，BOOT軟體在運行時用於負責接收有關輻照測試軟體的數據包，拷貝輻照試驗軟體可執行代碼到其運行空間，並引導輻照試驗軟體開始執行。BOOT軟體實現了同一個軟體引導具有不同功能軟體運行的目的，也意味著實現了軟定義的單粒子輻照試驗系統的功能。

更為具體的，結合圖5，執行BOOT軟體即實現運行所述測試母板以接收輻照試驗數據包的流程步驟，包括：

步驟S100，拷貝所述運行所述測試母板並接收輻照試驗數據包至存儲區域；

步驟S101，校驗所接收的輻照試驗數據包；

步驟S102，在校驗正確時獲取當前輻照試驗數據包的序號並接收下一序列號的輻照試驗數據包；

步驟S103，若所有序號的輻照試驗數據包都接收完畢則根據所述外部遠程操作計算機發送的跳轉指令運行所述輻照試驗軟體。

圖6是基於圖5所示流程步驟的一則實例，其中，根據步驟S100，所述存儲區域為DDR，即DDR SDRAM(Double Data Rate SDRAM，雙倍速率同步動態隨機存儲器)，設於所述測試母板中。輻照試驗數據包的包序號從0開始，Cur(Current的縮寫)表示當前接收的輻照試驗軟體數據包的包序號，初始化時Cur為-1，表示沒有收到任何數據包；Cur＝i則表示更新當前接收的輻照試驗軟體數據包的包序號為i；Cur+1＝＝i，表示當前接收的的輻照試驗軟體數據包為前次接收的數據包的下一個，是嚴格按照順序接收。設定輻照試驗軟體數據包及其包序號的意義在於：為了準確無誤的把輻照試驗軟體二進位執行代碼從遠程操作計算機傳輸到ZYNQ內，傳輸時，將輻照試驗軟體二進位執行代碼分割成多段進行傳輸，每段就是一個數據包，為了便於管理當前的發送過程，每個數據包按照先後順序有一個序號i，只有當前的數據包i傳輸成功後，才可以進行下一數據包(i+1)的傳輸。

在一則軟體數據包的數據結構中，其包含的數據見表一所示。

表一 輻照試驗軟體數據包數據結構

根據步驟S101對於接收到的每一個輻照試驗數據包都需要對該數據包進行校驗：校驗錯誤時，發送錯誤接收應答包NAK(Negative Acknowledgment，NAK是否定應答或者非應答的縮寫)，並重新等待接收當前輻照試驗數據包；校驗正確時，獲取接收數據包序號。

在獲取當前輻照試驗數據包的序號i後，還會對該序號是否是前一次輻照試驗數據包的序號Cur的下一個序號進行判斷，以進行數據包嚴格順序號的接收檢測：若否，則不執行拷貝操作，發送前一次數據包Cur的正確接收應答包ACK(Acknowledgement，表示確認發來的數據已經接收無誤)；若是，則將接收的本次序號的輻照試驗數據包拷貝到DDR對應的地址空間，用i更新Cur的值，並發送數據包i的正確接收應答包ACK。

根據步驟S103，在所有序號的輻照試驗數據包全部接收完畢後，此時若檢測到所述外部遠程操作計算機發送的跳轉指令，則發送成功接收跳轉指令的應答包ACK，並引導、執行所述輻照試驗軟體，以控制所述測試子板對所述測試器件進行測試。更為具體的，所述引導、執行輻照試驗軟體以控制所述測試子板對所述測試器件進行測試還包括：選擇與本次測試器件對應的輻照試驗軟體，並獲取所選輻照試驗軟體的數據包；接收所有所選輻照試驗軟體數據包及跳轉命令，所述跳轉命令指向所述輻照試驗軟體的運行；以及，執行跳轉命令以運行所述輻照測試軟體，接收遠程操作計算機的配置參數和命令以對所述測試器件進行測試。需要說明的是，在測試母板根據跳轉命令運行輻照試驗軟體後，對應本次測試器件的測試子板實際執行上述輻照試驗軟體(可以理解測試子板是測試母板的實際執行輻照測試的結構部分)，在上述執行測試過程中，測試母板還會接收所述遠程操作計算機發送的基於具體所述測試器件的配置參數、操作命令，並發送當前測試器件的數據給遠程操作計算機。

對於輻照試驗軟體，也即單粒子試驗軟體，是根據本次進行單粒子輻照試驗的器件試驗要求(也即試驗場景)進行執行的，可適於測試母板硬體平臺為運行目標板，編寫本次單粒子輻照試驗的軟體(含ARM軟體和FPGA軟體)並生成與測試母板硬體相匹配的二進位可執行代碼，該軟體除了具備網絡通信功能和基於網絡的按協議通信功能外，還需具備完成本次試驗器件單粒子輻照試驗的測試功能。單粒子試驗軟體由遠程操作計算機傳遞給測試母板後，在測試母板硬體平臺的內存DDR中運行的地址空間為0x2000000～0xFFFFFFF。不同的器件，其單粒子試驗軟體也不同，但是，其測試母板的硬體平臺不變，BOOT程序不變，從而實現了本發明所描述的一種軟體定義的單粒子輻照試驗系統。

圖7為一種遠程操作計算機執行輻照試驗的控制流程圖。其中，基於所述的某種具體的測試器件，在所述遠程操作計算機上選擇與所述測試器件相對應的輻照試驗軟體二進位可執行代碼文件，並根據文件長度L和設定的協議組成N個數據包並發送；在運行於所述測試母板上的所述BOOT軟體成功接收N個數據包並確認後，所述遠程操作計算機發送跳轉輻照試驗軟體命令，所述輻照試驗軟體在所述測試母板上正式運行；所述遠程操作計算機基於所述的某種具體的測試器件，發送與之對應的試驗配置參數、操作命令，接收所述輻照試驗軟體返回的測試數據並保存，直至試驗結束。

執行具體器件的單粒子輻照實驗控制流程根據每次具體器件的類型可有所差異，本發明技術方案並不對具體如何執行單粒子輻照實驗控制流程做限定。

圖8及圖9分別示意了MRAM晶片單粒子輻照試驗控制流程及Nand Flash晶片單粒子輻照試驗控制流程，其在測試過程中根據晶片特徵，發送定時信息及測試數據命令，以對測試數據(這裡的測試數據是內部或外部的遠程操作計算機發送的用於控制測試的測試數據，屬於控制數據)進行發送控制，此外，在開啟輻照測試後，系統周期讀取狀態反饋數據(即當前測試數據，系統反饋至遠程操作計算機)，並在測試完畢後停止輻照試驗。根據每次具體器件的類型，測試數據命令是不同的，比如對於MRAM晶片，測試數據命令包括全晶片寫測試數據命令，對於Nand Flash晶片，測試數據命令包括全晶片擦除命令及寫測試數據命令。

需要說明的是，對於本發明技術方案中的遠程操作計算機(對於裝置而言是外部設備，對於系統而言是內部設備)，通過網線與測試母板通信。在遠程操作計算機上運行試驗控制軟體。試驗控制軟體的功能有：

1)具備網絡通信功能；

2)可選擇本次單粒子輻照試驗的輻照試驗軟體，按照預先約定的通信協議，把輻照試驗軟體正確無誤發送給測試母板，並發送運行單粒子試驗軟體命令；

3)可發送本次試驗的配置參數給測試母板，開始單粒子輻照試驗；

4)可周期請求接收測試母板發送的測試數據，並保存；

5)可周期請求接收測試母板發送的子板程控電源監控電流、電壓數據並保存，當電流值超出閾值時，可發送命令關閉子板程控電源；

6)根據器件進行單粒子輻照試驗的要求，執行其它相應的操作；

7)可發送命令，結束本次試驗。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知常識。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。