CAN控制器單粒子效應測試系統的研制

蔡陽陽，陶 偉，郭 剛，魏敬和

(1.中國電子科技集團公司第五十八研究所,江蘇 無錫 2141002.中國原子能科學研究院,北京 102488)

0 引 言

進入信息化時代，集成電路作為各種電子設備的硬件核心需求量極大，對其各方面性能的要求也在不斷提升。在航天領域，集成電路的抗單粒子效應能力是考核其性能的主要指標。功率器件主要考核單粒子燒毀、單粒子柵穿等，數字器件主要考核單粒子閂鎖、單粒子功能中斷以及單粒子翻轉等事件[1]。

CAN總線由于其實時性、可靠性以及靈活性在航天領域應用廣泛，相較用于軍事目的的MIL-STD-1553總線功能接近，但性價比更高，可靠性也能滿足要求[2-3]。CAN總線控制器應用于航天器有廣泛的前景，但在空間環境中的適應性還有待驗證，因而裝備前必須在地面進行空間輻射環境模擬。

單粒子效應種類較多，SEL會導致電路電流瞬間增大，嚴重甚至燒毀電路，SEU會導致電路數字邏輯翻轉，影響電路正常功能。為了全面反映CAN控制器在輻射條件下的工作狀態，不能簡單地將SEU、SEL分開監測，需要測試系統在不同輻射條件下動態監測試驗過程中的狀態，包含電流、電壓、通信誤碼率等。

1 系統測試架構

單粒子效應測試系統需要實現對CAN控制器單粒子翻轉效應、單粒子功能中斷以及單粒子鎖定效應的測試，并且能夠使電流數據、通訊數據實時監測以及保存。測試系統主要由遠程監控端、上位機以及試驗板組成，上位機與試驗板之間采用RS232協議通信，實驗板板上的控制區與DUT區(Design Under Test，DUT)采用CAN通訊，實現DUT區(CAN控制器)的動態測試。測試系統示意圖如圖1所示。

圖1 單粒子效應測試系統示意圖

2 系統硬件設計

系統硬件主要包含了NI工控機、單粒子實驗板、遠程計算機等，需實現SEU、SEL的準確監測，并保護器件安全。

2.1 單粒子閂鎖的特征及硬件防護

單粒子閂鎖的主要特征表現為電源輸入端的電流突發性地異常增大，一般而言，器件的單粒子閂鎖引發的電流在0.03A～3A，且斷電前不可恢復正常，嚴重的會導致器件損毀[4-5]。因此，在設計系統硬件時，需要采取相關措施在確定出現閂鎖狀態時能迅速切斷電源，并且能使瞬間大電流不影響周邊器件安全。

選擇NI工控機作為上位機進行Labview監測平臺設計，采用板卡PXIe-4113對試驗板進行供電，該型板卡提供兩通道60 W的電源，電壓誤差范圍在±12 mV，電流誤差范圍在±32 uA，當出現電流波動時能夠準確反映電流變化。上位機結合板卡實現電流的實時監測以及電壓程控，可以對電流的異常趨勢進行監測，當電流過大時可自動斷電。單粒子試驗板包含有控制區、被測單元區以及隔離區?？刂茀^的核心為ARM系列STM32F103芯片，包含了CAN接口(2.0B主動)、USART以及若干GPIO口，既可以配置CAN控制器實現與其通訊，也可以與上位機的串口通訊；隔離區主要采用磁隔離芯片ADUM1400，以免DUT區出現單粒子閂鎖效應時導致的大電流影響周邊器件安全。系統硬件圖如圖2所示。

系統電源分為3.3 V核心區供電以及4.5 V/5.5 V DUT區供電，核心區供電與DUT區供電隔離，保證DUT電流的準確監測；CAN控制器標準供電電壓為5 V，采用4.5 V供電可使芯片更容易發生SEU效應，采用5.5 V供電能更容易產生SEL效應。

STM32的工作主頻為72 MHz，被測CAN控制器的工作頻率為24 MHz，(小于STM32工作主頻的1/2)，系統的采樣頻率滿足要求。

2.2 單粒子翻轉的統計單元分析

CAN控制器的典型內部結構如圖3所示，主要的數字單元為RAM類和REG(寄存器)類。信息緩沖存儲(TXB、RXFIFO)屬于RAM類，其他的邏輯單元屬于REG類。SEU效應主要作用于數字單元區，因為高能粒子撞擊導致邏輯單元狀態改變，RAM區與REG區都極易發生SEU，通常還伴隨著單粒子功能中斷(SEFI)效應，嚴重影響器件的正常工作[6-7]。

圖2 單粒子效應硬件框圖

圖3 CAN控制器的內部結構

因此，ARM需要能夠訪問所有可讀寄存器與緩沖器，從而實時監測各單元的邏輯狀態，并將錯誤結果發送給上位機顯示保存。STM32可通過CAN控制器的地址數據總線端口直接訪問所有可讀寄存器以及緩存器(RXB、TXB、RXFIFO)。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件方案

單粒子效應監測系統的軟件分為試驗板上的ARM控制程序、與上位機的通信程序、上位機程序。其中，ARM控制程序是軟件核心，需要通過串口建立與上位機的通信，實現與某型CAN控制器的CAN通訊，并統計SEU的翻轉個數。

上位機程序是在NI測試系統自帶的Windows平臺下開發的Labview應用程序，可通過串口對單粒子效應板進行數據讀取。通過NI的供電板卡對輻照試驗板供電，并監測電源電流大小，如果超過設定的電流閾值，控制被測芯片的電源通斷，同時實時顯示電流值、翻轉次數以及功能中斷次數，并將實時電流數據以及有數據翻轉的地址，翻轉位數保存下來。

3.2 單粒子翻轉統計模型

單粒子翻轉表現為同一時刻1位翻轉或多位翻轉，且會出現多地址的寄存器或者緩沖器同時翻轉，采用合適的方法保證統計數目的準確性以及地址覆蓋的全面性很必要[8]。

為了保證測試覆蓋性，首先劃分CAN控制器翻轉統計區域，主要分為RXB、TXB、FIFO以及寄存器。TXB和RXB為8字節，FIFO為64字節，寄存器需要覆蓋所有可讀寄存器，包括MOD、CMR、SR、IR、IER、BTR0、BTR1、OCR、ALC、ECC、EWLR、TXERR、RMC、RBSA、CDR。統計翻轉數時，將四個區域(RXB、TXB、FIFO以及寄存器)分開統計，最后再求和。

數字單元在翻轉過程中，可能會出現連續翻轉，例如從0翻轉為1，再翻轉回0；也可能出現翻轉過后一直維持在錯誤狀態，例如由0翻轉為1，并一直維持在1。為了準確計算翻轉次數，需要建立合適的統計模型。首先將預設數據寫入統計對象，通訊正常后，讀取第一時間輻照下器件各地址的存儲數據，生成第一讀數據，將預設數據與第一讀數據進行逐位比較，統計翻轉位與翻轉位數目，并將第一讀數據賦值成為新的預設數據，作為第二時間讀數據的對比數據，避免出現重復統計。所謂預設數據，即為在通訊過程中某地址正確的數據讀值。單粒子翻轉統計模型如圖4所示。

圖4 單粒子翻轉統計模型

統計過程中，如果某地址內數據的讀值不斷變化，僅采用單一的預設數據會導致統計結果不準確，因此需要找出讀值的變化規律來采用不同的預設值。CAN控制器的FIFO在未滿時，未填充數據的地址會讀出隨機數，無法統計翻轉數目，所以選擇在FIFO滿時讀取。FIFO滿后各地址內容會隨著通訊過程不斷變化，變化規律表現為：

FIFOFULL=64*n+c

其中，n為非負整數，c={5，11，17，23，29，34，40，46，52，58，63}，FIFOFULL為FIFO第幾次滿。

c的取值共11種，表明FIFO滿情況可分為11種，因而預設數據需要根據不同滿狀況設置，可采用語句if((n-c)%64= =0))來分類選擇。

4 單粒子輻照試驗

4.1 測試系統的功能驗證

測試系統在單粒子試驗之前需要進行功能驗證。系統功能主要驗證單粒子翻轉統計模型有效、單粒子閂鎖電流能單獨監測、上位機能實時顯示電流及數據并能在過電流時切斷電源。

首先驗證單粒子閂鎖的檢測以及電源切斷動作是否及時，將CAN控制器電源地短接，模擬SEL效應現象，試驗結果如圖5所示。被測CAN控制器的正常工作電流在35 mA左右，SEL閾值電流設計為52.5 mA(正常工作電流的1.5倍)，工控機板卡電流分辨精度在uA級，能夠準確監測電流的異常變化。

圖5 SEL效應顯示界面

圖7中，當出現SEL現象時，電流指示燈以及SEL指示燈都會變“紅”提醒，5V處的電流數字顯示以及坐標顯示都會實時反映電流異常，在程序設定的時間內電流不恢復，則切斷電源，5V電流坐標顯示處也不再有曲線。

然后驗證單粒子翻轉效應能否準確統計，將FIFO第十一次滿時首地址的預設數據由“0x00”修改為“0x01”，表示FIFO首地址內的數據有一位一直維持錯誤，按照統計模型計算翻轉數應該為1，試驗結果如圖6所示。

圖6 SEU效應顯示界面

圖8中，顯示界面“總錯誤比特數”處顯示為1，驗證了統計模型的正確性。

4.2 輻照試驗

單粒子效應試驗選用中國原子能科學研究院核物理研究所的HI-13串列加速器和蘭州近代物理研究所的回旋加速器進行。選擇粒子種類如表1。

表1 單粒子效應試驗用的離子

SEL測試主要統計出現大電流的次數。試驗流程圖如圖7所示。

圖7 SEL試驗流程圖

單粒子鎖定的具體流程如下：

(1)由NI工控機監測待測芯片電流是否突然增大至設定的閾值；如果達到，控制芯片對其進行復位；

(2)上述操作完成后，電流仍然不減小則認為發生SEL效應；

(3)斷開電源至芯片恢復正常溫度后，接通電源重新配置JRCAN控制器芯片；

SEU測試需要統計芯片內部所有可讀模塊的位翻轉數目(寄存器、TXB、RXB、FIFO等)。通過STM32對CAN控制器進行功能配置，建立STM32的CAN通道與CAN控制器之間的通訊，在動態過程中統計翻轉位數。SEU試驗流程圖如圖8所示。

單粒子翻轉測試具體流程如下：

(1) 初始化待測CAN控制器芯片。

(2) 核心控制器配置待測芯片寄存器并寫入功能數據幀建立CAN通訊，CAN控制器被配置為PeliCAN模式，相比于BasicCAN可實現更多的邏輯單元翻轉；控制器讀取緩沖器、寄存器的值，與配置時的值對比，統計發生SEU的位數，并將控制器讀取到的數據通過串口發送到上位機。

(3) 重復步驟(2)。

(4) 控制器發送重新配置命令，使JRCAN控制器重新配置數據為初始值。

(5) SEU效應監測過程中，一并監測SEL效應，以防止芯片因電流過大被燒壞。

單粒子功能中斷(SEFI)測試主要統計器件功能中斷的發生次數，無論寄存器區還是緩沖器區出現邏輯翻轉都會影響通訊功能，所以在SEU試驗過程中一并監測SEFI效應，統計CAN控制器在通訊過程中出現的停止收發數據或者收發數據幀不正確的次數。

兩種粒子下的單粒子效應實驗數據如表2所示。

圖8 SEU試驗流程圖

表2 單粒子效應實驗粒子

粒子加速器名稱粒子注量/cm-2翻轉位數SEL次數SEFI次數GeHI-131.20×104000BiHIRFL0.8×104000

表2實驗數據表明，器件在Ge粒子(LET值=36.8 MeV·cm2/mg)、Bi粒子(LET值=98.5 MeV·cm2/mg)輻照條件下，數字邏輯單元翻轉數目為0，同時也未出現單粒子閂鎖和功能中斷。該器件抗單粒子輻照效應能力較強，符合《QJ 10005—2008 宇航用半導體器件重離子效應試驗指南》的要求，能夠滿足宇航級的使用。

5 結 語

本文介紹了一種CAN控制器單粒子試驗系統，可以在試驗過程中對CAN控制器進行全面的監測，實時準確地保存試驗數據，方便后續計算評估被測器件是否符合航天要求。提出一種單粒子翻轉統計模型，既保證全面統計翻轉位，也避免出現重復統計，影響數據的準確性，同時針對地址內容動態變化的單元，找出變化規律進行統計。最終測試結果表明，測試系統滿足了對待測器件進行單粒子評估的要求。