FPGA 用于核电仪控系统安全关键技术探究
2020-11-26王伟德张美娇
王伟德 张美娇
中核辽宁核电有限公司 辽宁兴城 125100
在核电仪控系统当中，通过运用FPGA 技术，能够保证核电以控系统稳定运行，提升系统的安全性能与可靠性能。结合当前阶段的核电站安全仪控系统运行现状得知，由于系统的结构比较复杂，操作成本比较高，一旦出现人为错误，严重影响系统的安全运行水平，基于此，本文重点分析核电仪控系统安全中FPGA 技术的具体运用，内容如下。
1 FPGA 技术特点
FPGA 技术主要包含可编程逻辑器件与数字集成电路，其内部包含较多的译码器和存储器。最近几年以来，FPGA 技术迅猛发展，给传统的数字电路设计带来较大冲击，通过运用此项技术，能够保证核电仪控系统更为安全，确保核电仪控系统中的各项错误得到有效纠正，实现系统内部的稳定互联，减轻调试压力，真正实现设计与测试的标准化目标。
在核电仪控系统当中，运用此项技术，系统能够根据设计人员的要求，有针对性的进行编程，同时设计人员运用芯片，将各个逻辑模块进行稳定连接，进而获得相应的逻辑功能，满足系统的安全运行需求，减小外界环境因素对系统运行产生的负面影响[1]。
2 在核电仪控系统中的具体运用
2.1 系统层面
结合核电仪控系统运行特点得知，FPGA 技术的应用，能够提高系统的全生命周期管理效率。例如，在核电安全仪控运行期间，应用此项技术，针对系统实施全生命周期管控，在系统开发的过程当中，加强验证，确保各项活动有序进行，提高资源的配置效率，满足产品可持续性发展需求。
2.2 系统硬件
结合FPGA 技术特点得知，要想保证此项技术更好地应用到核电厂仪当中，设计人员要合理控制时针的偏移量，并妥善解决SUE 等问题。因为FPGA 硬件电路之中经常会出现时钟偏移问题，设计人员通过加强设计，联合中信号的运行特点，以及10 种网络的运行状况，合理设置时钟缓冲器，必要时也可以设置驱动电路，对信号的删除数量进行严格管控，在提高系统整体运行效率的同时，节省布线资源[2]。
另外，如果系统内部寄存器信号不能够满足运行需求，或者信号无法实现异步时钟的传输需求，经常会出现亚稳态现象，最终会对系统的整体安全性产生严重影响，使得核电仪控系统内部的安全隐患不断增加。所以，设计人员需要安装同步时钟系统，针对异步接口，加强同步处理，根据系统电路的运行时序，加强约束力度，防止发生亚稳态现象。
SUE，也常被人们称作单颗粒翻转，若出现此现象，会降低核电厂仪系统的稳定性能，系统容易发生较多异常现象，FPGA 技术的有效运用，能够减少此类现象的出现。现阶段，针对核电仪控系统运行环境内部的辐射粒子能量估算并不是特别准确，所以，在系统设计期间，设计人员需要采用加强监控与纠错处理力度，并及时进行验证，减少单颗粒翻转现象的发生。
2.3 工具选择
因为FPGA 市场选择范围存在较大限制，部分第三方工具只能够应用到ASIC 行业中，在芯片选型期间，要结合以往的工作经验，以及供应商的资质情况，工具自身的性能，进行有效的鉴定，同时，各类开发工具和V&V 工具要满足系统安全运行需求[3]。
2.4 商品级物项
FPGA 产品当中的商品级物项，通常为芯片供货商或第三方企业提供IP 核，在一些安全性比较低的领域之中，因为IP 核或者微处理器当中的IP 核在短时间内具有良好的安全功能，可以保证系统各项功能得到更好实现，故应用范围特别广泛。
结合核电仪控系统运行特点得知，因为系统不能够对IP 核进行有效的验证，过尽可能减少IP 核的应用，如果需要使用IP 核，设计人员要提前进行安全检查，确保IP 和自身的非安全功能和系统安全功能不发生冲突，不断提升系统的安全运行水平。
根据核安全规定标准得知，针对安全软件开发全生命周期软件工具，在开发设计前需要对工具进行评定，内容如下：工具是否会带来引入错误、工具的输出要进行全面验证、工具的应用是否减少软件开发步骤。设计人员首先要进行独立评估，如果该工具输出通过了独立验证，通过进行工具鉴定，则可以将其应用到系统之中，常用的验证方法主要包括等效工具比对与人工检查方法。
和其他软件相比较来说，FPGA 验证流程更加复杂，需要设计人员采取不同的验证方法，为了更好的满足核安全验证要求，需要进行100%检验，设计人员结合有关规则，科学选择验证方法，并对FPGA 仿真测试结果进行评定，针对仿真验证评定中存在的不足与缺陷，引用先进的验证技术，进行合理补充[4]。
常见的功能验证方法主要包括三种，也是黑盒、白盒与灰盒，其中，黑盒验证方法主要指的是，利用输入与输出信号，对系统的代码与功能进行验证，设计人员无需关注其内部运行情况，因此，无法了解系统内部的具体属性，难度增加，需要参考相关的模型，存在一定局限。与黑盒相比来说，白盒与灰盒验证方法，则能够帮助设计人员进一步了解系统属性，进而更好的判断系统运行状态,不断提升核电厂仪的可靠性与稳定性，
3 结语
综上所述，通过全面分析了FPGA 技术特点，并将应用到核电仪控系统安全设计之中，进一步明确系统的安全设计准则，优化开发流程，确保FPGA 技术得到更好运用。对于设计人员来讲，要根据核电仪控系统的运行特点，对运行环境当中的SEU 问题，进行合理的评价，并找到问题产生的具体原因，有针对性地进行处理。
