FIFO SRAM单粒子效应的测试系统设计

2015-10-29刘永灿李爱平

电子与封装 2015年12期

关键词：工控机下位上位

刘永灿，潘　滨，李爱平

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡 214035）

FIFO SRAM单粒子效应的测试系统设计

刘永灿，潘滨，李爱平

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡 214035）

随着航空航天事业的发展，器件的抗辐照性能变得越来越重要，因此对抗辐照指标的应用测试已显得至关重要。基于FPGA和NI工控机，设计四通道数据采集测试系统，用于监测FIFO SRAM单粒子实验中发生的单粒子翻转（SEU）和单粒子闩锁（SEL）效应。采样率可达50 MHz，对器件的读写频率达10 MByte/s。该系统可实现对FIFO SRAM单粒子试验过程的远程测控。在监测单粒子翻转的过程中，既监测存储器的SEU效应，又监测了读写指针的SEU效应，并经过实际的单粒子效应测试验证了本系统的可靠性。

单粒子效应；存储器测试；NI工控机

1　引言

常见的单粒子效应有单粒子翻转（SEU）和单粒子闩锁（SEL）两种，本文介绍了基于FPGA和NI工控机实现的FIFO SRAM电路单粒子效应监测平台的研究和设计。

2　电路功能介绍

电路功能框图如图1所示。

图1　功能框图

3　试验电路板及试验系统

单粒子辐射试验装置如图2所示。试验检测系统通过电缆与DUT板连接，DUT板放置在加速器的真空室内，加速器中辐射离子入射到被测电路上，试验检测系统监测和记录产生的单粒子效应。

图2　单粒子辐射装置示意图

试验系统如图3所示。

单粒子试验系统由DUT测试板（含下位机控制软件）、NI工控机、网络连接线、上位机控制软件等组成。

图3　单粒子试验系统框图

辐照试验电路板（简称DUT测试版，上置有被辐射芯片及控制、辅助芯片，板上控制芯片内置下位机控制软件）通过安装架安装在真空腔内，所选离子源通过离子加速器入射到被辐射电路上，DUT测试板通过长约1.5～2 m的转接线连接到真空腔转接头，再通过转接头与NI工控机连接，经过50 m左右网络长线到达辐照室外环境中的计算机（安装上位机软件，显示翻转情况与锁定情况），实现远程监控。

DUT测试板的构成如图4所示。由FPGA、电平转换（SN74ALVC164245）、电源等芯片以及被测芯片组成。FPGA为主控芯片，内置下位机控制程序，控制FIFO SRAM的工作状态，并完成FIFO SRAM在辐射环境下单粒子翻转的检测工作。DUT测试板实物如图5所示。

图4　DUT测试板的硬件构成示意图

4　软件设计

试验系统软件部分包含上位机软件和下位机软件，二者通过串口实现命令的发送和信息的上传。

图5　DUT测试板

上位机软件是使用NI工控机的Labview集成开发环境开发的测试软件。软件涵盖了两方面功能，一是为单粒子实验板供电，并实时监测被测芯片电流；二是与下位机系统通信，控制实验的进行和数据的采集。下面详细描述这两部分功能。

供电与电流监测部分：上位机通过NI供电板卡为单粒子实验板供电，并实时监测被测芯片电流，使用Labview软件记录电流值。

控制实验和采集数据部分：试验的配置和开始由上位机界面控制，上位机完成被测试工位的选择。在配置完成后，上位机发送开始命令进入测试阶段。在测试中，上位机接收下位机发送的各项信息，并实时显示在上位机操作界面上供实验人员监控。

上位机软件界面如图6所示。

图6　上位机单粒子检测界面

上位机通过串口向下位机发送命令选择4片FIFO SRAM中的1片作为被检测芯片，其余3片芯片处于StandAlone不工作状态。下位机程序不间断地写满读空被选择的FIFO SRAM，监测存储阵列中数据的翻转并记录翻转bit数以及读、写指针的翻转情况，将上述3组检测信息通过串口实时发送给上位机。使用Labview软件记录翻转数据。

下位机软件使用Verilog代码设计并在FPGA上实现，负责被测芯片的控制、读写，以及SEU现象的监测与统计。监测统计数据通过串口实时发送到上位机上，由上位机显示，供实验人员掌握系统运行状态。

下位机接收上位机发送的命令，选择4个工位中的1个进行测试。通过周期性地写满、读出，校验读写数据的一致性来判断被测芯片是否发生了SEU现象，读写频率10 MByte/s。为保证测试数据的有效性，下位机以棋盘格方式交替写入0x155和0x0AA数据，并在每次写满、读空后切换两种数据的写入顺序。

下位机单粒子检测流程示意图如图7所示。

图7 单粒子翻转下位机检测流程示意图

图7显示了下位机程序流程图，系统上电后，等待上位机发送片选并开始测试命令。下位机选择对应芯片开始测试，并通过串口实时上传测试信息。

5　系统测试结果

采用本测试系统对FIFO SRAM进行了试验。试验证明系统可以满足FIFO SRAM测试的需求。最终在中国原子能科学研究院核物理研究所的HI-13串列加速器和兰州近代物理研究所的回旋加速器使用该系统对FIFO SRAM进行了单粒子翻转SEU和单粒子锁定SEL测试，取得了较为满意的结果。表1为Ti离子效应测试结果，表2为Ge离子效应测试结果，表3为Bi离子效应测试结果，结果显示能正确计数各种翻转数量用以分析。

6　结束语

本文基于FPGA测试板和LabVIEW设计的虚拟仪器相结合的方式，设计了一款FIFO SRAM测试系统，并根据单粒子效应测试的特点在下位机和上位机两部分分别进行了针对性的设计，尤其是增加了监控读写指针翻转的测试，能够更全面地分析单粒子翻转的原因，并为设计人员指明芯片加固的方向。

表1　Ti离子效应测试结果离子：Ti；能量：160 MeV；LET值：22.2 MeV·mg/cm2；Si中射程：32.9 μm

表2　Ge离子效应测试结果离子：Ge；能量：210 MeV；LET值：37.3 MeV·mg/cm2；Si中射程：30.5 μm

表3　Bi离子效应测试结果离子：Bi；能量：923.2 MeV；LET值：99.8 MeV·mg/ cm2；Si中射程：33.7 μm

［1］ IDT7205电路手册［M］.

［2］ GJB 548B-2005. 微电子器件试验方法和程序［S］.

［3］夏宇闻. Verilog 数字系统设计教程［M］. 北京：北京航空航天大学出版社，2003.

［4］杨乐平. Lab VIEW高级程序设计［M］. 北京：清华大学出版社，2003.

The Single Events Effects Monitoring System of FIFO SRAM

LIU Yongcan， PAN Bin， LI Aiping
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute， Wuxi 214035， China）

With the development of aviation and aerospace industry， devices'anti-irradiation performance is becoming more and more important.Therefore， the application testing of the anti-irradiation index has become more critical. Based on FPGA and NI controller， an data acquisition and test system with four channels was designed in this paper.The system was used to monitor SEU effects and SEL effects in FIFO SRAM's single event experiment. The sampling rate can reach 50MHZ， and the read-write frequency of device can reach 10Mbytes. The system realized the remote monitoring of FIFO SRAM's single event experiment. In the process of monitoring SEU， both memory's SEU effects and read-write pointer's SEU effects were monitored. Thereliability of this system was verified in actual single event effects test.

the single events effects； memory test； NI controller