讲真,这是太阳系中“最快”的FPGA

2019-01-17
14:00:12
来源: 半导体行业观察

讲真,这是太阳系中“最快”的FPGA

8年前,NASA和约翰霍普金斯大学联合立项,投入15亿美元打造一款绕日探测卫星。2018年,这款名为 “ 帕克号” 的太阳探测器发射升空。帕克号上的电子系统和仪器组由多个FPGA共同控制,帮助帕克号成为有史以来最接近太阳和速度最快的人造航天器。

帕克太阳探测器上的宇航级FPGA

帕克太阳探测器的主要目标是探究和解决太阳风形成的原因,并研究加速各种高能太阳粒子的神秘力量。帕克太阳探测器是目前人类制造的移动速度最快的物体,在最大轨道速度下,它将以接近每小时70万公里的速度穿越太阳的日冕层。如果在地球上以这个速度航行, 不到一分钟就能从华盛顿到达东京 。

正因如此,帕克太阳探测器成就了另外一个里程碑 — 太阳系中速度最快的FPGA : 来自MicroSemi公司的抗辐射宇航级RTAX4000系列FPGA 。

尽管这里的“最快”并不是指FPGA的运行频率,而是它们高达70万公里/小时的巡航速度,但是这些基于0.15μm工艺制造的FPGA有着很多独特的亮点。

在复杂的宇航空间环境下,存在着大量的高能带电粒子,它们会造成集成电路中的电子元件的电位状态的改变,如从“0”变成“1”,或从“1”变成“0”,这种现象叫做单粒子翻转(Single-Event Upsets, SEU)。这些微小的数位改变对于数字系统的影响往往是致命的。因此,在帕克号的FPGA中集成了 抗SEU、外加三重冗余保护(Triple Module Redundancy – TMR)的寄存器,使SEU发生的概率降到了十的负十次方。

FPGA上还有 专门的逻辑发现和修正SRAM上发生的位翻转 。即使SRAM自带的错误检测和校正电路发生故障,这些SEU也能被发现并修正。

此外,RTAX4000 FPGA采用了 金属对金属的反熔丝结构互联 ,因此即使受到宇宙离子冲击也不会改变FPGA的逻辑结构。

帕克号基于FPGA的DSP与控制系统

帕克号配备了五种科学仪器,合称为“FIELDS”仪器组。它包含了多种传感器和测试仪表,主要用来测量电场和磁场、等离子体波谱和极化特性、电子密度和温度分布以及太阳射电辐射等,如下图所示。

讲真,这是太阳系中“最快”的FPGA

探测器的电子系统包含 两个Microsemi公司的抗辐射宇航级RTAX4000 FPGA芯片 ,见下图紫红色部分。

讲真,这是太阳系中“最快”的FPGA

其中,一个FPGA位于FIELDS仪器组内,如下图所示。它主要负责将26路传感器的输入信号以150 kSa/s的采样速率进行数字信号处理,以产生光谱和跨谱矩阵,以及对应的时间序列数据。

讲真,这是太阳系中“最快”的FPGA

另外一个FPGA位于探测器的数据控制电路板(DCB)上,用来作为FIELDS仪器组的主要控制器,如下图所示。同时,这个FPGA负责控制FIELDS与航天器的连接和通信,即接收并解码来自航天器的指令,并将其传送到仪器组的各个子系统中。

讲真,这是太阳系中“最快”的FPGA

这个FPGA包含了一个复杂的外接存储系统,包含了32kB 抗辐射PROM,2MB SRAM,512KB EEPROM和32GB闪存。其中,PROM中保存着FIELDS仪器组的启动软件,EEPROM中保存着仪器组的操作软件、机载脚本,以及其他仪表的参数。在仪器启动过程中,EEPROM中的数据会被传输到SRAM中运行。

此外,FPGA还集成了一个32位的嵌入式CPU。这个CPU使用了ColdFire架构,它是 上世纪70年代末摩托罗拉半导体68000处理器的升级版 ,可以称得上是微处理器里的活化石和上古神迹了。

在这个FPGA中,还实现了FIELDS仪器组的模拟信号管理、仪器控制、航天器接口、大容量内存控制器,以及RF频谱仪。FPGA控制DCB系统与航天器交换电磁场信息与飞行状态,并通过航天器的消息系统跟踪任务运行时间。

结语

帕克太阳探测器的第二个近日点预计将在今年4月。在7年的任务中,飞船将经历24个近日点,而最后的三个近日点将把宇宙飞船带到离太阳表面仅380万英里的地方,使得帕克号面向太阳一侧的隔热罩外的温度达到1370摄氏度。在这个大胆而令人兴奋的旅程中,FPGA的表现十分值得期待。

由于FPGA兼顾了性能和功耗,同时有高容错、强抗干扰的能力,因此被广泛应用于航空航天领域。希望伴随着FPGA技术的发展,人类会在探索宇宙的道路上加速前行。

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