基于汉明码及闩锁检测电路的防辐射效应设计

常远 沈国红 荆涛 路立

摘  要： 恶劣的空间环境会诱发星上载荷的总剂量效应、单粒子效应、表面充放电效应等问题，导致星上设备在轨发生各种故障。为保证卫星寿命及载荷安全可靠运行，在设计过程中须对载荷进行系统化的防辐射设计。文中针对对航天器载荷影响最大的单粒子效应从电子技术方面给出了汉明码设计和闩锁检测电路设计。经过实践证明，该设计易于实现，能够有效解决单粒子翻转效应和单粒子锁定效应，有效保证星上载荷安全，提高可靠性和使用寿命。

关键词： 防辐射设计; 汉明码; 闩锁检测电路; 星上载荷; 空间环境; 实验测试

中图分类号： TN911.34?34; TP391.4             文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）04?0008?03

Design of radiation protection effect based on Hamming code and latch detection circuit

CHANG Yuan1，2，3，4， SHEN Guohong1，3，4， JING Tao1，3，4， LU Li1，3，4

（1. National Space Science Center， Chinese Academy of Science， Beijing 100190， China; 2. University of Chinese Academy of Science， Beijing 100049， China;

3. Beijing Key Laboratory of Space?Based Space Environment Exploration， Beijing 100190， China;

4. Key Laboratory of Space Environment Situational Awareness Technology， CAS， Beijing 101499， China）

Abstract： The severe space environment can induce the total dose effect， single event effect， surface charge?discharge effect and so on of the spaceborne payload， resulting in the various malfunctions of spaceborne equipments in orbit. The systematic radiation protection design of the payload must be conducted during the design process to ensure the satellite life and reliable operation of the payload. The Hamming code design and latch detection circuit design are given in the aspect of the electronic technology， aiming at the single particle effect which has the greatest influence on the spacecraft payload. The practice proves that the design is easy to implement， can effectively solve the single?particle rollover effect and single?particle locking effect， effectively ensure the onboard payload safety， and improve the reliability and service life.

Keywords： radiation protection; Hamming code; latch detection circuit; spaceborne payload; space environment; experimental measurement

随着我国航天技术和应用需求的发展，各类应用卫星、科学卫星等进入发射高峰期。在恶劣的太空环境下，空间辐射效应以及表面充放电效应造成了大量的航天器故障。针对总剂量效应、单粒子效应、表面充放电效应，目前虽然都有对应的解决办法，但是有的办法实施起来需要消耗大量人力、物力以及时间，然而我国航天任务大都有时间紧、任务重的特点，并且受限于目前的工艺技术，所以部分有效措施无法采用， 比如对所有元器件单独采用双向互锁存储单元（DICE）的抗辐射结构设计来避免单粒子翻转效应[1]，方法虽然有效，却不可能耗费如此大的投入。因此，在大量星上载荷研制任务中，从电子技术方面总结出了一套较为简单可靠的设计，使用汉明码设计应对单粒子翻转效应、使用闩锁检测电路设计应对单粒子锁定效应，通过这两项设计可以有效提高星上载荷的防辐射安全性，提高设备运行稳定性和可靠性。本文从介绍空间环境对航天器影响开始，进一步指明了各种效应的成因、危害，并给出了有针对性的应对方法。

1  空间环境对航天器的影响

卫星在在轨运行期间主要遭遇的空间环境有两大类：一是太阳系及银河系的带电粒子、电磁辐射等[2];二是近地空间自身所有的带电粒子、中性大气等。空间环境对卫星及其载荷的作用本质是太空的物质条件对航天器用材料及功能产生影响。根据不同物质和作用机理，主要有辐射效应（radiation effects）、充放电效应（charging and discharging）以及侵蚀效应（erosion）。其中对载荷影响最大的是辐射效应，辐射效应主要分为以下几类，即总剂量效应、单粒子效应以及位移损伤效应[3]。据美国航天局马绍尔飞行中心和宇航集团公司统计2009年因单粒子效应造成的仪器故障占总故障的46%。因此，单粒子锁定和单粒子翻转是星上载荷需要重点解决的问题[4]。

电离总剂量效应（Total Iionizing Dose，TID）是指卫星在轨飞行过程中不断遭受到辐射带电子、质子以及太阳宇宙线质子的电离作用，导致大量的额外电离电荷堆积在器件内部的介质隔离和钝化材料中，造成器件参数退化以至失效。单粒子效应（Single Event Effects，SEE）主要包括单粒子翻转效应（Single Event Upset，SEU）以及CMOS工艺器件的单粒子锁定效应（Single Event Latch，SEL）。位移损伤效应是空间辐射粒子与靶物质原子发生弹性碰撞，使得靶物质原子发生移动成为间隙原子以及留下原位置的空位，间隙原子以及空位最终会影响器件的电参数及性能。充放电效应由空间中等离子体引起，可分为表面充放电和内部充电，电荷在航天器上积累到一定水平后，可引发静电效应，造成电源、导航、通信等系统中断或破坏，甚至导致整个航天器失效。

针对电离总剂量效应，可以在器件选型时选择可以承受总辐射剂量较高的器件，在“嫦娥四号”载荷电子元器件上优先选择了能够承受总辐射剂量>10 krad的器件。针对表面充放电效应我们可以采取屏蔽措施、搭接、选择绝缘性能良好的电介质材料以及对电路板层叠设计等方式。

2  针对单粒子翻转效应的设计

2.1  解决SEU（单粒子翻转）的设计

解决SEL问题的方式现在常用的有采用三模冗余技术、采用DICE结构设计的元器件[5]。三模冗余技术是使用三个D触发器代替一个D触发器，这样如果有一个输入出错，可以保证输出不变。但是三模冗余会增大面积，提升资源消耗水平。DICE结构的元器件需要单独设计，重新开发，大大提高了工作量，影响载荷研制进展，所以在实际项目中很难大面积应用。因此对SRAM等存储单元的抗辐照设计推荐使用纠错码。常用的纠错码有汉明码和RS（Read?Solomon）码等，但RS码是串行译码，不适合高速的数据传输，所以应采用并行译码的汉明码设计[6]。

汉明码不僅可以用来检验错误的发生，还能纠正错误。它的实现是在原来N位的数据内插入k位检验位数据，这时数据变为m（m=N+k）位编码[7]。编码要满足2k-1≥m，这就是Hamming不等式。在得到的m位编码的2k（k≥0&&2k

除了编码规则外，汉明码还有严格的解码规则。严格按照规则进行设计，汉明码可以发现并纠正一位数据错误，如果发现多于一位错误，则可以告知系统发生了多位错误。

2.2  单粒子翻转实验模拟

在星上载荷高能粒子探测器中使用汉明码的设计，并进行了实验验证。硬件电路选取XC6SLX9 FPGA和用于USB和UART转换的Silicon Labs CP2102GM。硬件架构如图2所示。

界面软件为基于LabVIEW开发的专门用于高能粒子探测器数据解析的程序。手动发送2个8位的16进制数SendData（值为16），解析出4位有效数据VaildData（值为04），编码后的数据CodeData（值为2A）。然后设置故障位，在电路板上使用拨码开关强制令数据位第一位为“1”，再次写入，此时读出的数据ReadData为“2B”，显示出错误位ErrorBit位“1”，纠正后的数据DecoData为“04”[8]。显示结果如图3所示。

该过程模拟了单粒子翻转故障，汉明码设计有效的进行了故障消除，达到了预期的效果。

3  针对单粒子锁定效应的设计

闩锁效应是对于CMOS电路中特有的，是由于CMOS器件中一个三极管正偏，构成正反馈形成闩锁[9]。避免闩锁的常规措施有预防电源跳动、限制电路的电流，以及在电路的设计、加工过程中防止闩锁[10]。但是这些措施或不能有效的抑制闩锁效应，或设计起来繁琐复杂，比如通过限流来抑制闩锁发生就非常困难。经过对高能粒子探测器等仪器的研发及不断试验总结出，针对载荷专门设计一个闩锁检测电路，用来专门捕捉载荷内发生的闩锁效应，捕捉到闩锁发生就断电重新启动。在大量高能粒子探测器的实验中，设计出了如图4所示的闩锁检测电路。

该闩锁检测电路具有“故障”信号的数字接口，该信号由ICU（仪器控制单元）进行连续监测。“故障”信号表示单粒子事件闩锁在载荷数字电子元件上。一旦检测到故障信号将关闭所有数字电源线，故障信号将变为0 V，FAULT信号阻抗低于5 kΩ。当没有检测到闩锁时，“故障”信号为3.3 V，信号阻抗为100 Ω。在载荷启动后的前500 ms内，暂不检测FAULT信号，以保证通过电源电压上电后数字电源线稳定。当ICU检测到闩锁时，ICU将立即关闭电路中所有重要部分，比如FPGA，ADC以及数字接口，该过程如图5所示，并等待地面指令再次打开载荷。

4  结  语

本文针对航天器在空间环境中主要发生的单粒子翻转效应、单粒子锁定效应，提出了有效的解决方案，并且在工程实践中易于实现，经过实验测试以及采用汉明码设计、闩锁检测电路设计的在轨高能粒子探测器证明，汉明码设计、闩锁检测电路设计能够保证载荷有效应对单粒子锁定效应以及单粒子翻转效应，保证载荷在轨安全稳定运行。

针对不同载荷，在设计过程中，除了使用本文的方法进行防辐射设计，还可以根据载荷实际需要、工程实际情况，增加其他防辐射设计，确保卫星载荷的高可靠和长寿命。

注：本文通讯作者为沈国红。

参考文献

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[2] 陈善强，刘四清，师立勤，等.用于空间辐射效应评估的软件：SEREAT[J].宇航学报，2017（3）：317?322.

[3] 楼建设.卫星用典型SRAM存储器空间辐射效应及模拟试验方法研究[D].上海：上海交通大学，2013.

[4] 李若飞，胡长清.单粒子仿真方法研究[J].微处理机，2017（3）：8?12.

[5] 黄琨，杨武，胡珂流，等.一种异构双核SoC的抗SEU加固方案[J].微电子学，2018（10）：631?634.

[6] BORA Moon. Weighted Hamming metric structures [J]. Discrete mathematics， 2018， 341（11）： 3174?3181.

[7] 余辉龙，张健，覃翠，等.一种指数字长的通用汉明码纠错算法[J].微电子学与计算机，2015（7）：59?61.

[8] 张志洲，李东阳.星载机检错纠错模拟系统设计与实现[J].实验室研究与探索，2018（7）：72?80.

[9] 黄东巍，蔡依林，任翔.集成电路动态闩锁效应检测方法研究[J].电子元器件与信息技术，2018（8）：81?84.

[10] 杨菊瑾，刘义凯.抗单粒子翻转的加固方法[J].微处理机，2013（5）：4?5.