基于SRAM型FPGA的实时容错自修复系统设计方法

为提高辐射环境中电子系统的可靠性,提出了一种基于SRAM型FPGA的实时容错自修复系统结构和设计方法。该设计方法采用粗粒度三模冗余结构和细粒度三模冗余结构对系统功能模块进行容错设计;将一种细粒度的故障检测单元嵌入到各冗余模块中对各冗余模块进行故障检测;结合动态部分重构技术可在不影响系统正常工作的前提下实现故障模块的在线修复。该设计结构于Xilinx Virtex誖-6 FPGA中进行了设计实现,实验结果表明系统故障修复时间和可靠性得到显著提高。     

一种高可靠宇航控制器设计及可靠性评估

将8051、存储器等IP核集成在FPGA内部, 可实现宇航控制器高可靠、小型化的应用需求。但FPGA在空间环境中容易发生单粒子翻转事件(SEU),影响系统正常功能,常采用在FPGA内部进行三模冗余(TMR)设计;针对三模冗余系统无法纠正存储区中发生的SEU故障,提出了一种采用三模冗余架构并对FPGA配置区域进行刷新重载的解决方案,同时采用马尔可夫模型对该设计方案进行了可靠性评估和仿真;结果表明,采用该设计架构的宇航控制器具有较高的可靠性与安全性,可实现飞行器的长期稳定运行。     

基于三取二冗余结构的安全计算机系统

设计一种基于三取二冗余结构的安全计算机系统。该系统由CPU模块、通信模块、安全输入输出模块组成,利用具有同步表决功能的三模同步表决总线、冗余控制器局域网总线和冗余以太网总线实现各模块间的数据通信,采用基于动态脉冲调制的三取二表决电路保证系统输出的安全性和可靠性。测试结果表明,该三取二安全计算机系统样机能够达到预期设计目标。     

基于FlexRay总线飞行控制计算机串行接口单元设计与研究

根据样例无人机飞行控制计算机对串行接口单元的接口资源和内部通信能力的需求,研究并完成了基于FlexRay总线串行接口单元的硬件设计和软件开发,同时从时间调度、总线余度和非冗余数据传输三方面设计了FlexRay总线的通信协议和余度管理机制;串行接口单元采用FPGA为处理器,通过串行接口实现了外部设备与飞行控制计算机的实时通信,并按照FlexRay总线的通信协议,实现了串行接口单元和CPU单元间信息的可靠传输,总线负载小于20%;测试结果验证了设计的正确性和实用性,符合设计指标,可满足样例无人飞行控制计算机串行数据通信需求。     

基于COTS的宇航计算单元冗余架构可靠性研究

随着商业航天的发展,为了能以更低成本使宇航计算单元得到应用,需要结合设计成本、预期寿命、实时性和系统复杂度等因素,对不同计算单元冗余架构的可靠性进行评估;目前在基于高性能商用货架(COTS,commercial off-the-shelf)器件的宇航计算单元研究多满足于工程应用,缺乏关于对不同架构可靠性的对比;首先,针对几种不同冗余计算单元冗余架构,简单介绍具体的拓扑结构和工作方式;其次,根据工作方式给出了他们的故障状态转移图;最后,根据上述几种架构,运用马尔可夫模型理论,对这些计算单元结构进行可靠性建模,在考虑失效率和维修率两个参数对系统可靠性影响的情况下,并以一个虚拟的长时期任务为背景对各结构的可靠性指标进行了评价;仿真结果为更低成本基于COTS器件制造宇航计算单元提供了设计支撑。     

针对星载FPGA配置数据的高可靠存储设计

为了提高星载SRAM型FPGA在轨应用的可靠性,星载SRAM型FPGA在轨重构系统需要提高FPGA配置数据的存储可靠性。对配置数据存储方法进行了研究,提出了一种“三模+巡检”的复合式存储设计方法及相关系统实施方案。采用Markov模型,结合星上设备在轨运行时出现的永久性错误、暂时性错误以及修复率的影响,对“三模+巡检”的复合式存储设计进行可靠度分析,给出了系统可靠度微分方程组。通过Matlab仿真分析了永久性错误率、修复率等因素对可靠度的影响。经过仿真分析,“三模+巡检”的复合式存储系统在轨可靠度大于0.99, 进一步证明其可靠性明显优于传统三模冗余的存储方式,满足在轨可靠性要求。     

基于国产CPU的并行冗余计算机系统研究

目前国家不断推进的国产自主可控信息系统建设,其核心国产计算机系统由于技术成熟度低、市场推广晚等原因,暴露出可靠性低、稳定性差的问题,直接导致系统功能无法成功应用;围绕国产化计算机系统的并行冗余架构开展研究,通过计算机系统架构的软硬件设计,以及高速缓存一致性架构、高速互联总线和三状态转换机制方法的应用,基于国产CPU 并行冗余计算机系统,可以有效消除备份计算机系统进行当班切换时,存在的切换时间延时和切换过程数据丢失的问题;通过试验验证,该系统可以完成计算机系统中CPU处理器和功能桥片故障模式的容错处理,并保障信息数据的完整性和实时性,有效提高设备中计算机系统的工作可靠性与稳定性。     

BIT试验中VME总线故障注入设备控制单元设计

针对航空电子设备BIT(机内测试)试验,设计了一种基于FPGA（现场可编程门阵列）的VME总线故障注入设备。该设备的控制单元用于完成故障注入设备的总体控制,是实现故障注入任务的关键。详细分析了VME总线故障注入设备的总体框架,给出了VME总线故障注入设备控制单元的设计方案,包括详细的软、硬件设计方法以及该系统的工作流程,并通过测试工具验证了控制单元设计和功能的正确性。最后,讨论了BIT试验中故障注入技术应用未来研究工作的开展方向。     

具备重构能力的三模冗余器载计算机研究

器载计算机是航天器电气系统的重要组成部分,需要冗余技术来满足其高可靠性运行要求。为了保证航天器上计算机在出现异常故障时仍能正常工作,对传统三模容错结构、具有降级功能的三模容余结构的体系结构、算法原理、关键技术等内容进行了研究。综合使用多种检测机制确保可靠锁定故障机,基于故障机无法修复时再逐步降级使用的策略,以正常工作的当班机为基础,通过故障机在每个流程的开始读取刷新后的当班机指针和重要状态参数并在流程的结束向当班机发送同步请求的方式,提出了一种具备重构能力的三模冗余器载计算机设计方案,设计了三模冗余重构流程,使故障机具备自修复的能力。实践表明,该重构方法能有效地提高器载计算机系统的可靠性,对高可靠器载计算机设计与实现具有较好的工程参考意义。     

CAN总线在三冗余紧急遮断系统中的应用

为满足三冗余紧急遮断系统中多点多总线多数据类型的数据传输的需求,基于CAN总线的特点,设计了三冗余系统的通信结构及软件通信流程;提出了CAN协议的报文标识符的分组策略,并解决了多点通信的报文损失问题,应用于三冗余系统中.结果表明,CAN总线提高了三冗余系统的容错性和可靠性.     

1553B总线通信终端知识产权核的设计

为满足航天飞行器地面仿真设备使用的需求,设计了一种基于可编程逻辑门阵列(FPGA)的1553B总线通信终端知识产权(IP)核。在保证总线系统可靠性的前提下,采用自顶向下的设计方法与“双进程”编码方式,利用超高速硬件描述语言(VHDL)生成目标代码,使用ModelSim软件进行仿真,最后在实际设备中验证并应用。该IP核可配置在总线控制器、远程终端或总线监控器3种不同的工作模式下运行,易于集成入片上系统(SoC),对进一步应用1553B总线提供了更多的选择。     

基于1553B总线架构的测试设备设计与实现

随着1553B总线在航空系统和地面车辆系统中分布式从属设备连接方式的广泛应用,提高武器装备保障体系中的测试设备的设计灵活性、可靠性以及可确定性显得尤为重要;因此,提出了一种基于1553B总线架构思想的PXI总线测试设备的设计方法与实现方式,经过工程实际应用表明,能够满足装备的测试需求,具有良好的可扩展性、实时性和可靠性等特点,对武器装备测试领域的设备研制有一定的参考价值。     

基于AMBA总线的UART模块设计与验证

随着微电子技术的快速发展,电子设备逐渐趋向于小型化、集成化且要求设备功耗低、体积小、重量轻、可靠性高,因此在芯片设计中集成UART模块已成为一种趋势。介绍了一种基于AMBA总线的UART模块设计与验证方法,该设计采用了自顶向下和有限状态机相结合的方法,并且在ISE开发平台上采用Verilog HDL语言实现了UART模块的设计,最后借助于FPGA验证平台进行验证。结果表明,基于AMBA总线作为标准接口实现UART模块的设计可以传输准确的数据,可以满足扩展UART通信接口的要求。     

USB OTG IP核中AMBA总线接口的设计

AMBA总线接口是USB OTG IP核中用于与外部MCU进行数据通信的接口。在完成USB OTG IP核系统框架设计并充分分析AMBA总线规范的基础上,提出AMBA总线控制状态机的实现方法,完成AMBA总线接口的设计,通过基于Xilinx FPGA验证,仿真实验结果证明设计的正确性,可用于包含USB功能的SoC开发中。     

基于冗余TTCAN的核电站报警窗改进设计

鉴于推行核电设备国产化以及核电报警系统的升级改造需求,对核电报警系统空气闸门报警窗的通信模块进行了改进研究。考虑到核电站场景的高安全性需求,报警窗通信模块的改进设计采用了实时性高、可预测性好、抗干扰性强的基于时间触发的控制器局域网络(TTCAN)总线,并以报警窗为主节点,各报警采集模块为从节点。在分析了主流TTCAN冗余方式的基础上,提出一种新的TTCAN冗余方式,应用了带有双路总线控制器的微控制单元(MCU)以及双通道互相独立的传输架构,搭建了TTCAN冗余网络,并提出了相应的新型冗余管理策略。试验证明,采用新型冗余TTCAN通信方式的报警窗总线利用率高、数据传输速率快、数据传输稳定、误码率低,具有高实时性和高可靠性,是TTCAN总线应用于核电仪控系统和报警系统的一次积极尝试。     

基于FPGA的机载音频管理系统通信测试卡设计

在机载音频管理系统地面自动测试设备的研制中,自动测试设备与被测试组件之间的通信是一个关键的问题。通过对现代民航客机音频管理系统的研究,设计了专用的通信测试卡,实现专用航空电子控制信号与测试系统USB总线之间的信号转换功能。该通信测试卡采用模块化的设计方法,将机载电子设备控制信号的接收与发送功能以及对USB总线的控制逻辑集成于一块FPGA中,简化了测试卡的硬件设计,提高了数据传输的可靠性和灵活性;实验结果表明,该通信测试卡工作稳定,产生的控制信号时序精确,抗干扰能力强,完全达到了设计的要求。     

线路保护装置SV直采传输方案研究

分析了当前智能变电站SV点对点发送处理机制,提出了一种满足过程层要求的高均匀性和一致性SV直采传输方法。应用FPGA实现DMA控制器和以太网MAC控制单元,对SV报文添加发送描述符,由FPGA根据描述符直接控制SV发送。采用Spartan-6系列架构FPGA,通过PCI Express总线,系统内部实现SV数据高速传输。此方案充分利用了FPGA的并行数据处理的特性及丰富的IP资源,设计实现了多路以太网点对点数据的高带宽和高可靠性传输,极大的提升了智能变电站系统的性能。     

基于FPGA的车电总线接口技术研究

为提高集成架构中车电总线通信速率,结合综合化处理系统项目要求,采用双总线结合的方式,利用CAN总线和FlexRay总线实现功能及搭配上的互补,提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的总线接口单元设计方案。通过FPGA完成CAN总线控制器、FlexRay总线控制器、RapidIO总线接口等模块功能,实现高速接口的控制和扩展,并使模块接口具备可配置能力。测试结果表明,CAN接口及FlexRay接口在指定的波特率下均工作正常,满足项目要求的各项性能指标。