工业以太网芯片单粒子实验测试系统研制

夏加高, 李文新, 朱 博, 王世佳, 王志龙

(1.兰州空间技术物理研究所，兰州 730000; 2.兰州工业学院 基础学科部，兰州 730000)



工业以太网芯片单粒子实验测试系统研制

夏加高1, 李文新1, 朱 博1, 王世佳1, 王志龙2

(1.兰州空间技术物理研究所，兰州 730000; 2.兰州工业学院 基础学科部，兰州 730000)

分析了单粒子效应对以太网芯片KSZ8851-16MLLJ的内部结构的影响，为全面了解以太网芯片在单粒子实验中的状态，研制出工业以太网单粒子实验测试系统；通过测试系统的实验得出相关参数，为以太网芯片在航天器上的应用提供技术参考；根据单粒子实验的现场情况，研制基于以太网的远程数据采集、控制系统，将测试数据实时地传输到远程观测终端；测试结果表明：单粒子实验测试系统可以对以太网芯片进行全面地监测，并有效地保护该芯片的安全性。

单粒子；以太网芯片；测试系统

0 引言

随着我国航天事业的发展，航天器的数据通讯速度和流量越来越大，使用以太网通讯可以满足这个发展要求。但是，目前还没有宇航级的以太网芯片可以使用，只有工业级的以太网芯片可供使用，实验样品选用的是麦瑞半导体公司的KSZ8851-16MLLJ以太网芯片，其在空间环境中适应性尚不清楚，因此必须在地面进行空间辐射环境模拟，对其抗单粒子效应进行评价，为航天工程应用提供技术依据。在进行工业以太网芯片单粒子实验前，需要研制出工业以太网单粒子实验测试系统。一般情况下，电子元器件在单粒子实验中只监测器件的电流，根据器件电流发生跃变进情况计算其单粒子锁定截面[1-5]，得出是否可以在航天器上使用的结论。而以太网芯片实验只得出单粒子锁定截面，不能全面反映空间辐射条件下的工作状态，这需要测试系统较为全面地反映实验过程中的状态，主要包括不同辐射水平下的通讯误码率、电流、电压、频率等。

1 KSZ8851-16MLLJ的结构及其单粒子效应影响分析

以太网芯片KSZ8851-16MLLJ是麦瑞半导体公司的产品[6]，具有8/16/32位和SPI主机接口的单端口嵌入式控制芯片，该芯片支持大端和小端处理器，可提供最快100 Mbps的网络传输速度。KSZ8851-16MLLJ具有接口方式灵活、处理器适应性强、网络传输速度快的特点，这是选择其作为航天工程应用的重要原因。

KSZ8851-16MLLJ的内部结构图见图1。KSZ8851-16MLLJ芯片内部的数字单元主要可分为三类：RAM类、EPROM类和REG(寄存器)类。以太芯片内的接收和发送缓存区属于RAM类；存放MAC地址的EEPROM属于EPROM类；PLL Clock(锁相环控制单元)、Power Management(电源管理单元)、 Cable Diagnostic(电缆诊断单元)、IO Interface Control Management(IO接口控制管理单元)等属于REG类。

图1 KSZ8851-16MLLJ芯片内部结构图

空间辐射效应严重影响航天器的在轨运行安全，空间辐射危害主要包括单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应。在NASA 统计的1589次卫星异常中，确定由于单粒子事件引起的异常有621次，约占异常总数的40%[7]。因此，元器件的单粒子效应评估是提高航天器安全性的重要环节。单粒子事件可分为以下几类：单粒子翻转、单粒子功能中断、单粒子闩锁、单粒子烧毁、单粒子栅穿等。单粒子烧毁、单粒子栅穿主要发生在功率器件中。数字器件主要研究单粒子翻转、单粒子功能中断、单粒子闩锁等单粒子事件。

单粒子翻转是指高能粒子撞击器件使逻辑单元的状态发生改变[8-11]，通常是1位翻转，也有多位翻转。在空间辐射环境下，随机存储器是发生SEU的概率最高，所以KSZ8851-16MLLJ的接收和发送缓存区对单粒子翻转比较敏感，发生SEU时，发送和接收缓存的数据发生错误，影响数据通讯的正确性。

单粒子功能中断是指单个粒子入射元器件的控制单元引起控制功能中断或出错，对数字器件的寄存器有较大影响[8-11]。在空间辐射环境下，KSZ8851-16MLLJ的内部寄存器发生单粒子中断，则会影响整个芯片的功能，以太网络通讯功能部分丧失，表现为PLL电路失效无振荡频率、无法发送数据、无法接收数据等现象。

单粒子闩锁是指重离子或质子入射CMOS器件触发可控硅导通，使其进入电流放大状态[11-12]。当发生单粒子闩锁时，器件电流会迅速变大，必须立即切断电源以防止器件损坏。KSZ8851-16MLLJ属于低功耗CMOS器件，在进行单粒子实验时须对器件的电流进行监控，防止器件损坏。

所以，在以太网芯片单粒子实验中，要测试芯片的网络通讯误码率、电压、电流、频率等参数，才能判断芯片的工作状态。

2 系统测试架构及实现

图2是工业以太网单粒子实验测试系统的框图，测试系统由上位计算机、以太网交换机和下位机组成。下位机由4块DSP2812为核心的以太网芯片测试板，分别为1号板、2号板、3号板、4号板。4块测试板之间可以进行CAN总线通讯。

图2 测试系统框图

1号板、2号板和3号板为单粒子实验辐照区，4号板为非辐照区。以太网交换机的功能使各终端进行网络通讯。上位机和4号测试板通过以太网进行数据通讯，4号板通过以太网分别与1号板、2号板、3号板传递测试数据包。1号板、2号板、3号板通过CAN总线向4号板传送测试参数，4号板将测试情况组包上传到上位机。

测试系统对KSZ8851-16MLLJ的缓存区、收发功能、振荡频率和器件功耗进行测试。上位机通过以太网向4号板发送选择测试板的指令，4号板通过CAN总线向被选择的测试板发送测试指令，并通过以太网向被测试板发送数据包，上位机和4块测试板通过以太网交换机进行数据通讯。

2.1 工业以太网芯片缓存区测试方案

KSZ8851-16MLLJ的缓存区共有18 kB，其中接收缓存为12 kB，发送缓存为6 kB，是以FIFO方式读取和发送的，如图3所示。

图3 以太网芯片的存储区

以太网的底层UDP协议规定每包数据量最大不超过1550Byte，而接收缓存区为12 KB，如果通过发送一包数据接收一包数据的方式，接收和发送缓存区的测试是不完整的。测试系统为覆盖所有的接收和发送缓存区，规定每包数据为1 KB，4号板每次向1号板、2号板、3号板发送12包数据，通过CAN总线通知被测模块可读取数据包，为方便对比测试，每包的数据区内容是相同的，传送内容通过CAN总线告知被测模块；被测模块收到可读命令后，开始逐包读取接收缓存区的内容并进行比对，将比对结果通过CAN总线传送给4号板。同样，测试发送缓存区时，每次写入6包数据后再进行发送，发送的数据区内容为CAN总线的数据内容，发送后通过CAN总线通知4号板，由4号板判读发送的数据是否正确。4号板综合被测模块的缓存区错误次数通过以太网上传至上位机，上位机将数据记录下来。

为了使缓存区数据长时间驻留，被测试模块接收到4号板的CAN总线指令后，立即将接收内容写入到发送缓存区，等待0.5S后，再读取数据包并进行数据内容比对，启动数据发送指令，将对比结果通过CAN总线上报4号板且可以接收网络数据。

2.2 工业以太网芯片收发功能测试方案

若单粒子辐射使芯片的功能寄存器发生异常，被测模块的以太网收发功能肯定会受到影响。被测试模块通过CAN总线接到读取指令0.5 s后，如果可以正常读取数据包，无论接收数据是否正确，认定为接收正常；若无法读取数据包，即接收缓存区为空时，则认定为接收异常；将以太网接收结果通过CAN总线传送给4号板。4号板通过CAN总线接收到被测试电路模块的指令后，立即读取以太网芯片的接收缓存区，如果可以接收到网络数据，无论接收数据是否正确，认定为该芯片发送功能正常，反之则认定为异常。4号板将测试板的网络收发功能上报至上位机，上位机记录测试结果。

2.3 工业以太网芯片振荡频率测试方案

以太网芯片的振荡频率是反映芯片工作状态的重要参数。KSZ8851-16MLLJ外接晶振的正弦信号振幅小于1 V，要进行信号放大和滤波整形后，才能成为方波信号。KSZ8851-16MLLJ的振荡频率为25 MHz，DSP2812不能进行直接测量，所以要进行信号分频处理，然后再利用DSP2812的定时器对分频信号进行测量。

2.4 工业以太网芯片功耗测试方案

单粒子实验中，芯片的电流与辐射强度之间的关系，是一个重要的研究项目。与此同时电路系统中也要有对芯片的过流保护措施。图4是功耗测试方案可以避免芯片损坏。KSZ8851主要由3.3 V供电，所以要对其电压电流进行检测监控。

图4 以太网芯片电源测试框图

3 测试系统的软硬件设计

3.1 测试系统的硬件实现

测试系统的硬件主要由上位机、交换机和下位机组成。上位机为有以太网接口的普通计算机，以太网交换机负责对各个网络终端进行数据交换，下位机为4块完全相同的硬件电路板。下位机主要以DSP2812为核心的嵌入式系统，其系统框图见图5。为便于离子源的距离控制，以太网芯片单独设计一个转换板，位于测试板所有器件的上方。

图5 以DSP2812为核心的嵌入式系统

3.2 上位机的软件设计

上位机软件的功能是选择测试芯片、保存和显示测试数据。测试数据项主要包括KSZ8851的3.3 V电压、电流、频率、缓存区单粒子翻转次数、收发错误次数。在运行测试程序之前，需要对上位机进行局域网IP地址设置。

3.3 下位机的软件设计

下位机4块电路板DSP2812程序虽然各不相同，但是1号、2号、3号电路板的基本程序流程是相同的，不同的是以太网和CAN总线的通讯地址，见图6。

4号电路板主要负责解析上位机的指令、接收被测电路板的数据和测试参数、将被测芯片的数据打包发送到上位机。4号电路板解析上位机的指令后，根据指令通过CAN总线选择1号、2号、3号电路板的以太网芯片作为被测对象，将测试数据通过以太网发送到被测芯片。接收到被测电路板的以太网数据和测试参数后，判断被测芯片的工作状态，将工作状态和测试参数重新打包通过以太网传送到上位机。

被测电路板接收到4号电路板的数据后，暂不读取接收缓存的内容，延时500 ms后再读取接收缓存的内容并进行状态判断，目的是为了测试接收缓存区的抗粒子能力。然后将判断结果和以太网芯片参数通过CAN总线发送到4号电路板，再通过以太网将接收缓存区的内容发送到4号板，测试以太网芯片的通讯功能。

3.4 测试系统的验证与分析

以太网芯片测试系统在进行功能验证之后，才能进行单粒子实验。测试系统的功能验证主要包括以下几个方面：数据通讯功能测试、以太网芯片参数测试和功能监测、控制流测试。数据通讯功能包含上位机与4号电路板的以太网通讯是否正常，4号电路板与其它下位机的以太网通讯和CAN总线通讯是否正确。以太网芯片参数测试主要是指芯片的工作电压、电流、频率是否正确，并要进行参数校正；功能监测主要是以太网芯片的接收和发送功能是否正常，接收和发送缓存区的数据是否被改写。控制流测试是指上位机对下位机的控制是否按预定流程进行。表1是以太网芯片在非单粒子辐射条件下的测试数据。

表1 以太网芯片测试数据

测试项目t3.3V(V)1.8V(V)频率(MHz)误码率(‰)3.3V电流(mA)13.3121.79925.007923.3081.79325.007833.3101.79525.008043.3091.78925.0081

在测试过程中，也可用万用表测量以太网芯片的工作电压、电流，用频率计测量芯片的本振频率，与表1的测试数据进行对比结果表明：表1的电压、电流、频率数据是可信的；将1号板、2号板、3号板回传的网络测试数据与源数据进行对比，没有发现传输误码，这表明误码率测试结果也是可信的。表1的数据来自上位机且是可信的，这表明测试系统中上位机与4号板的以太网通讯功能正常，4号板与1号板、2号板、3号板的网络通讯和CAN总线通讯功能正常，上位机和下位机的软件实现了以太网芯片测试数据测量、显示和保存功能，可以实时地、有效地监测以太网芯片的工作状态。

4 结束语

图6 下位机软件流程图

通常情况下，电子元器件在进行单粒子实验时，监测其工作电流即可判断其工作状态，然后计算单粒子翻转截面或单粒子中断截面，就可以得出是否能在航天器上应用的结论。以太网芯片在航天器的应用中涉及数据的可靠性和安全性，进行单粒子实验时要对其进行全面的监测，才能为下一步的航天工程应用提供参考。通过对以太网芯片KSZ8851-16MLLJ内部结构和空间单粒子效应对内部结构影响的分析，得出以太网芯片在单粒子实验中需要的测试项目。测试系统的下位机利用CAN总线实时监控以太网芯片的工作状态，并通过以太网将实验数据实时地传输到上位机，上位机将实验数据以图形的形式实时描绘和记录下来，使测试人员可以直观了解实验状态，从而可以实时地作出实验决策。科研人员通过获得的实验数据，进一步分析以太网芯片在单粒子条件下的工作状态，为航天工程应用提供技术支持。测试结果表明：单粒子实验测试系统可以对以太网芯片进行全面地监测，真实无误地保存测试数据；工艺人员可以从测试数据中判断出以太网芯片是否满足空间环境的使用要求，工程应用人员也可以从测试数据中分析出以太网芯片的抗单粒子特性以提高其工程应用的可靠性和安全性。

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Study of Industrial Ethernet Chip Test System in Single-event Experiment

Xia Jiagao1, Li Wenxin1, Zhu Bo1, Wang Shijia1， Wang Zhilong2

(1.Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou 730000, China； 2.Basic Science Department, Lanzhou Institute of Industrial, Lanzhou 730000, China)

The single-event effect to the inner structure of Ethernet chip KSZ8851-16MLLJ is analyzed in the paper. The industrial Ethernet chip test system in single-event experiment is developed to fully understand the state of Ethernet chip. Some relevant parameters obtained from the test system experiment can provide technical reference for the application of Ethernet chip in spacecraft. According to the situation of single-event experiment, the remote data acquisition and control system based on the Ethernet is studied to transfer test data in real time to remote observation terminal. The experiment results show that the test system can monitor the Ethernet chip comprehensively and protect effectively its safety.

single event; Ethernet chip; test system

2015-09-23；

2015-11-12。

国家自然科学基金项目(11161041)。

夏加高(1978-)，男，江苏连云港人，博士研究生，主要从事空间电子应用技术方面的研究。

1671-4598(2016)03-0040-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.012

TP368.1

A