一种抗单粒子翻转的星载数据处理系统及方法
阅读说明：本技术 一种抗单粒子翻转的星载数据处理系统及方法 (Satellite-borne data processing system and method resistant to single event upset ) 是由 江卫 谢永春 张芳 邓雷升 付江 徐梦茗 于 2021-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种抗单粒子翻转的星载数据处理系统及方法,包括DSP处理器、FPGA可编程门阵列、Flash存储器、回读刷新芯片、PROM存储器和外部接口驱动模块；DSP处理器与FPGA可编程门阵列连接,Flash存储器通过数据、地址总线分别与DSP处理器、FPGA可编程门阵列连接,FPGA可编程门阵列与回读刷新芯片连接,回读刷新芯片与PROM存储器连接；且在DSP处理器与FPGA可编程门阵列之间设置有心跳线等；本发明能有效地提高开发效率、增强星载数据处理能力、降低成本、缩短开发周期,能应用在星载遥测设备、星载遥控设备、星载数传设备、空间站话音设备、空间站图像设备等太空电子设备中。(The invention discloses a satellite-borne data processing system and a satellite-borne data processing method capable of resisting single event upset, wherein the satellite-borne data processing system comprises a DSP (digital signal processor), an FPGA (field programmable gate array), a Flash memory, a read-back refreshing chip, a PROM (programmable read-out) memory and an external interface driving module; the DSP processor is connected with the FPGA, the Flash memory is respectively connected with the DSP processor and the FPGA through data and address buses, the FPGA is connected with the read-back refreshing chip, and the read-back refreshing chip is connected with the PROM memory; and a core jumper wire and the like are arranged between the DSP processor and the FPGA; the invention can effectively improve the development efficiency, enhance the satellite-borne data processing capability, reduce the cost and shorten the development period, and can be applied to space electronic equipment such as satellite-borne remote measuring equipment, satellite-borne remote control equipment, satellite-borne data transmission equipment, space station voice equipment, space station image equipment and the like.)
技术领域
本发明涉及星载数字信号处理平台的抗单粒子翻转(SEU)技术领域，更为具体的，涉及一种抗单粒子翻转的星载数据处理系统及方法。
背景技术
DSP处理器+FPGA可编程集成电路是目前常见的数字信号处理电路，其处理能力非常强大，但是这两种芯片在太空环境下，易于受到高能粒子的影响，导致存储的数据发生翻转，设备功能失效；因此需要进行抗SEU加固，使使该数字信号处理平台既具有强大的处理能力，还能在太空环境下使用。
目前，星载数字信号处理平台的抗单粒子翻转设计，主要是采用反熔丝的抗辐射器件，该类型元器件成本高，相对尺寸大，器件性能低，功耗较高。抗单粒子翻转的技术也多集中在对锁存器、触发器、RAM型FPGA的配置区回读刷新等方面，这些只是局部的解决方案，并不能适应大量的数据处理、复杂协议的解析等方面的航天应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种抗单粒子翻转的星载数据处理系统及方法，能有效的提高开发效率、增强星载数据处理能力、降低成本、缩短开发周期，可应用在星载遥测设备、星载遥控设备、星载数传设备、空间站话音设备、空间站图像设备等太空电子设备中。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种抗单粒子翻转的星载数据处理系统，包括：
DSP处理器、FPGA可编程门阵列、Flash存储器、回读刷新芯片、PROM存储器和外部接口驱动模块；DSP处理器与FPGA可编程门阵列连接，Flash存储器通过数据、地址总线分别与DSP处理器、FPGA可编程门阵列连接，FPGA可编程门阵列与回读刷新芯片连接，回读刷新芯片与PROM存储器连接；且在DSP处理器与FPGA可编程门阵列之间设置有心跳线。
进一步地，包括基础数据抗单粒子翻转模块，在该模块中包括回读检测模块、纠检错算法模块和三模冗余设计模块；
所述回读检测模块，用于由回读刷新芯片对FPGA的配置区数据进行回读，一旦检测到FPGA配置区发生翻转，则重新加载，确保FPGA配置区工作正常；
所述纠检错算法模块，用于对单粒子翻转事件进行检测和恢复；
所述三模冗余设计模块，用于对FPGA实现的寄存器、存储模块保存数据的完整性检测和纠错算法进行三模冗余设计。
进一步地，包括DSP程序BOOT的抗单粒子翻转模块，用于执行如下流程：
编写DSP芯片的二次boot代码，通过FPGA实现Flash地址译码功能，以及对DSP处理器复位控制来实现该部分抗单粒子翻转的能力，使DSP芯片程序能BOOT成功，加载正确的运行程序；
对Flash存储器按页分区，将二次boot代码进行多重备份，通过FPGA实现地址译码控制和复位控制，加载DSP处理器的二次boot程序，加载后对boot代码自身进行完整性检测，如果有错误，则重新从另一页boot code中加载二次boot程序，直到加载成功后，DSP处理器通过心跳线向FPGA发出心跳信号告知工作正常，并对flash中的数据进行检测，在检测并修复flash中的数据后，二次boot程序再加载DSP进行业务处理的正常数据，完成程序的BOOT功能。
进一步地，包括DSP运行阶段抗单粒子翻转模块，用于对运行的程序存储区进行完整性校验，防止发生单粒子翻转；对于数据区的常量也采用完整性检验，变动区域则采用动态刷新和三模冗余机制进行保护。
进一步地，包括资源开销调整模块，用于根据轨道高度的不同评估单粒子效应发生的强度，调整进行单粒子防护而占用的资源开销。
一种基于上述的抗单粒子翻转的星载数据处理系统的方法，包括步骤：
S1，基础数据抗单粒子翻转，在该步骤中，通过完整性检测和纠错算法构建基础防护能力，使系统在单粒子翻转效应下始终能抗毁顽存；同时，对FPGA实现的寄存器、存储模块保存数据进行完整性检测和纠错算法时再进行三模冗余设计，从而构建最基础的抗单粒子翻转的防护能力；
S2，DSP程序BOOT的抗单粒子翻转，在该步骤中，通过二次boot代码完成程序的BOOT功能；
S3，DSP运行阶段抗单粒子翻转，在该步骤中，对运行的程序存储区进行完整性校验，防止发生单粒子翻转；对于数据区的常量也采用完整性检验，变动区域则采用动态刷新和三模冗余机制进行保护。
进一步地，在步骤S1中，包括如下步骤：
S11，基于抗辐射的PROM芯片，由回读刷新芯片对FPGA的配置区数据进行回读，一旦检测到FPGA配置区发生翻转，则重新加载，确保FPGA配置区工作正常；
S12，对DSP处理器和FLASH存储器数据的正确性，均由纠检错算法对单粒子翻转事件进行检测和恢复，且该纠检错算法采用三模冗余的原理进行功能实现，并检测其运行功能的正确性；
S13，利用PROM存储FPGA的配置数据，该配置数据为FPGA实现的算法和逻辑功能，包括实现的数据完整性检测、纠错算法的运行代码。
进一步地，在步骤S2中，包括如下步骤：
S21，编写DSP芯片的二次boot代码，通过FPGA实现Flash地址译码功能，以及对DSP处理器复位控制来实现该部分抗单粒子翻转的能力，使DSP芯片程序能BOOT成功，加载正确的运行程序；
S22，对Flash存储器按页分区，将二次boot代码进行多重备份，通过FPGA实现地址译码控制和复位控制；
S23，加载DSP处理器的二次boot程序，加载后对boot代码自身进行完整性检测，如果有错误，则重新从另一页boot code中加载二次boot程序，直到加载成功后，DSP处理器通过心跳线向FPGA发出心跳信号告知工作正常，并对flash存储器中的数据进行检测，在检测并修复flash中的数据后，二次boot程序再加载DSP进行业务处理的正常数据，完成程序的BOOT功能。
进一步地，在步骤S3之后，还包括如下步骤：
S4，根据轨道高度的不同评估单粒子效应发生的强度，进而调整进行单粒子防护而占用的资源开销。
本发明的有益效果包括：
本发明能有效的提高开发效率、增强星载数据处理能力、降低成本、缩短开发周期；具体，在星载数字信号处理过程中，需求确保DSP程序和FPGA逻辑的正确运行，在受到高能粒子的穿透后发生单粒子翻转时，能检测出错误并重新恢复程序的正确运行。本发明提出了对DSP程序BOOT的抗单粒子翻转方法、FPGA的程序加载的抗单粒子翻转方法、DSP程序运行时对代码和数据RAM区的抗单粒子翻转方法，以及FPGA在运行时候的抗单粒子翻转方法。其中，应用循环冗余检错算法、纠错算法对发生单粒子翻转的数据位进行检查并恢复为正确的数据，采用冗余备份、刷新机制提高抗单粒子翻转的能力，在DSP处理器和FPGA之间设计心跳监控逻辑实现运行状态的相互监控，以防护器件失效。
本发明实施例从星载电子设备的软硬件设计，从设备的引导、启动、运行、加载阶段，从整体上提供了解决抗单粒子翻转的方法。同时，采用DSP+FPGA的方法，降低开发难度，节约开发时间。本发明方案作为平台支撑技术，可以用于星载遥测设备、星载遥控设备、星载数传设备、空间站话音设备、空间站图像设备等太空电子设备，在如今太空探索活动越来越频繁的时代，该技术具备极高的经济效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的抗单粒子翻转硬件原理框图；
图2为本发明实施例的基础数据抗单粒子翻转原理图；
图3为本发明实施例的DSP程序BOOT的抗单粒子翻转原理图；
图4为本发明实施例的DSP运行阶段的抗单粒子翻转原理图；
图5为本发明实施例的抗单粒子翻转处理流程图。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
如图1～5所示，一种抗单粒子翻转的星载数据处理系统及方法，
硬件架构主要由DSP处理器和FPGA可编程门阵列构成，进行数字信号的处理。在太空工作环境下，高能粒子会导致星载数字信号处理平台的程序存储器、DSP处理器、FPGA芯片的逻辑和RAM资源等发生比特位翻转，数据由0变1，或由1变0，从而导致设备失效。因此需要对所有可能发生翻转的数据和代码进行抗单粒子翻转防护，构建出适用于太空环境的抗单粒子翻转的星载数字信号处理平台。本实施例的硬件框图如图1所示。
根据DSP处理器和FPGA可编程门阵列的硬件运行特点，结合纠检错原理，对发生单粒子翻转的数据进行检测恢复，通过多重措施相结合来提高抗单粒子翻转能力。外太空中的高能粒子穿透电子设备时，会导致元器件的存储数据发生比特位翻转，发生单粒子翻转事件，该事件的发生没有周期，无规律性，但是必然会发生。当发生翻转的数据是重要的数据时，可能导致计算错误，严重会导致设备失效。多年来航天器发生的电子设备故障，约80％都是因为发生单粒子翻转导致。本实施例对星载数字信号处理平台中对单粒子效应敏感的Flash存储器、DSP和FPGA均进行了防护。
基础数据抗单粒子翻转方法
首先要确保不会发生翻转的最基层部门，以此作为根本，不断的扩展抗单粒子翻转的防护能力，当发生相对密集的单粒子故障时，始终有该部分屹立不倒，能将星载数字信号处理平台带回正常工作状态，该部分的设计采用抗辐射的PROM芯片进行设计，并结合RAM型FPGA芯片的运行特点，由回读刷新芯片对FPGA的配置区数据进行回读，一旦检测到FPGA配置区发生翻转，则重新加载，确保FPGA配置区工作正常。对DSP处理器和FLASH存储器数据的正确性，均依赖纠检错算法对单粒子翻转事件进行检测和恢复，因此该算法采用三模冗余的原理进行功能实现，并检测其运行功能的正确性。通过以上技术手段构建基础防护能力，使星载数字信号处理平台在单粒子翻转效应下始终能抗毁顽存，该部分的抗单粒子翻转原理如图2所示。
利用PROM不会发生单粒子翻转的能力，存储FPGA的配置数据，该配置数据为FPGA实现的各种算法和逻辑功能，包括实现的数据完整性检测技术、纠错算法等的运行代码。对FPGA配置区的回读检测仅能检测配置区数据的正确性，但FPGA实现的寄存器、存储模块保存数据并不在检测范围，当发生单粒子翻转事件的时候，依然会导致逻辑功能的不正确，因此对该部分中的完整性检测和纠错算法进行三模冗余设计，通过该方式构建最基础的抗单粒子翻转的防护能力。
DSP程序BOOT的抗单粒子翻转方法
DSP芯片为星载数字信号处理平台的核心处理器，该处理器需要从flash存储器中加载代码，才能运行正常的功能。如果存在flash中的代码发生错误，则星载数字信号处理平台将会失效。因此需要采用二次boot技术，编写DSP芯片的二次boot代码，通过FPGA实现Flash地址译码功能，以及对DSP处理器复位控制来实现该部分抗单粒子翻转的能力，使DSP芯片程序能BOOT成功，加载正确的运行程序。其技术原理框图如图3所示。
Flash存储器容量及大，对其按页分区，将二次boot代码进行多重备份，通过FPGA实现地址译码控制和复位控制技术，加载DSP处理器的二次boot程序，加载后对boot代码自身进行完整性检测，如果有错误，则重新从另一页boot code中加载二次boot程序，直到加载成功后，DSP通过心跳线向FPGA发出心跳信号告知工作正常，并对flash中的数据进行检测，在检测并修复flash中的数据后，二次boot程序再加载DSP进行业务处理的正常数据。完成程序的BOOT功能。
DSP运行阶段抗单粒子翻转方法
DSP为高速数字信号处理器，其采用的是哈弗结构，将程序存储和数据存储分开，各自对立。利用这一特征，对运行的程序存储区进行完整性校验，防止发生单粒子翻转。对于数据区的常量也采用完整性检验，变动区域则采用动态刷新和三模冗余机制进行保护。
通过对程序存储器的完整性检验，使DSP程序运行的指令正确，当发生数据或程序运行错误时，完整性检验无法通过时候，则自动进行恢复。
通过上述手段可完成星载数字信号处理平台对单粒子翻转的防护。星载数字信号处理平台上承载航天业务数据处理功能，对单粒子翻转的防护会消耗平台的一部分资源，可根据轨道高度的不同评估单粒子效应发生的强度，调整为进行单粒子防护而占用的资源开销。经过长期测试，以及在我国载人航天天地通信业务处理设备中得到验证，该方法抗单粒子翻转的能力稳定可靠。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
本发明功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，在一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)以及相应的软件中执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，进行测试或者实际的数据在程序实现中存在于只读存储器(Random Access Memory，RAM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)等。
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