数字信号处理大气中子单粒子效应（SEE）试验研究

闫飞 闫攀峰

摘要：本文针对4型航空常用的数字信号处理（DSP）进行了大气中子单粒子效应试验，对辐照条件、试验环境、试验件安装及监测方法进行研究，并对试验结果进行了數据处理及分析。试验结果表明，该4型DSP在14WV中子辐射下均发生了单粒子翻转（SEU是单粒子效应中的一种模式），TMS320C6416TBGLZA8、TMS320C6418ZTSA500、TMS320F2812及SM32C6415E-GLZ50SEP的单粒子翻转截面分别为1.91e-7cm²/device、6.62e-7cm²/device、8.82e-9cm²/device及1.62e-7cm²/device，在12000m处的飞行高度下，器件发生的单位翻转率分别为1.15e-03n/（device·h）、3.97e-03n/（device·h）、5.29e-05n/（device·h）、及9.69e-04n/（device·h）。

关键词：数字信号处理;单粒子翻转;截面;单粒子翻转率;大气中子

中图分类号：V21 文献标识码：A

大气中子是初级宇宙射线与地球大气中的氧、氮等发生核反应生成的次级粒子。在12000m高度下，大气中子的能量可高达1000MeV，注量率为地面中子注量率的300倍左右[1]。大气中子单粒子效应对数字信号处理（DSP）的影响已经成为国内外研究热点，据国外大量研究表明，DSP内部存储单元在高能中子的作用下会发生单粒子效应，如单粒子翻转、单粒子功能中止等。美国联邦航空局（FAA）于2005年发布咨询通告AC 20-152，要求专用集成电路（ASIC）、可编程逻辑器件（PLD）、现场可编程门阵列（FPGA）等复杂电子器件应符合DO-254中第2.3.1.2.h条款，条款中提出在硬件设计中对翻转效应进行防护[2]。

近年来，我国航空事业得到蓬勃发展，为进一步提高民用航空电子设备的可靠性及安全性，国内已开始关注大气中子单粒子效应的防护。为指导民用航空电子设备大气中子单粒子效应防护设计工作，迫切需要开展航空复杂电子器件的中子单粒子效应试验研究。本文为国内首次针对DSP器件开展的大气中子单粒子效应地面验证试验[3]。

1 试验样品

1.1 受试器件

受试器件为T1公司生产的TMS320X系列及SM32C64X系列DSP，所选器件在进行中子单粒子效应试验之前，已通过规定的相关试验和电性能测试。受试器件详细信息见表1。

1.2 受试DSP单粒子效应敏感单元

（1）TMS320F2812型DSP

该器件对大气中子单粒子效应敏感的存储单元包括288K bit的单通道随机存储器（SARAM），内部存储单元详见表2[4]。

（2）TMS320C6418ZTSA500型DSP

该器件对大气中子单粒子效应敏感的存储单元包括128K bit程序存储器（LIP）、128K bit数据存储器（LID）、4M bit统一映射存储器/缓存（L2），内部存储单元详见表3[5]。

（3）TMS320C6416型与SM320C6415型DSP

对大气中子单粒子效应敏感的存储单元包括128K bit程序存储器（LIP）、128K bit数据存储器（LID）、8M bit统一映射存储器/缓存（L2），内部存储单元详见表4[6，7]。

2 试验设计

2.1 标准大气条件

温度：15～35℃;相对湿度：20%～80%;气压：标准环境大气压（约760mm汞柱）。

2.2 试验辐照条件

（1）辐射源：高压倍加器产生的14MeV中子。（2）辐照不均匀性：试验件中敏感器件接受到中子辐照不均匀性≤±10%。（3）注量率：10²～10⁶n/（cm²·s）。（4）注量：使被试件接受的平均中子注量达到10⁹n/cm²或达到100个单粒子翻转后可中止辐照。（5）屏蔽：辐照源与试验件之间使用4mm铝板进行屏蔽。（6）工作状态：受试器件试验期间保持静止，辐照前后，记录数据状态的改变。（7）摆放：（a）受试器件的平均垂直于受试器件的中心与靶心的连线;（b）受试器件的中心位置距离中子源至少80cm。

2.3 试验装置

试验装置详见表5。

2.4 器件监测条件

通过仿真器回读DSP中的内部存储单元，测试系统原理图如图1所示，回读数据与辐照前的回读数据相比较，统计翻转的比特数。中子辐射中被监测的对象见表6。

3 试验实施

3.1 试验件的安装

试验系统主要由14MeV中子辐照源、中子注量率监测仪、屏蔽板、受试DSP、电源、导线、及测试机台等组成，试验系统布局如图2所示。

3.2 试验流程图

中子辐照前，对受试器件进行配置并回读，保存回读数据作为参照数据，在辐照期间，受试器件保持静态状态，辐照后读出受试单元的数据，与参照数据相比较，统计翻转次数。试验流程如图3所示。

（1）写入配置文件，对器件进行配置;（2）回读并保存回读文件;（3）记录工作电压和功耗电流;（4）开始辐照;（5）辐照至一定注量后，暂停;（6）记录工作电压和功耗电流;（7）回读并与辐照前回读文件比较统计发生翻转数;（g）当翻转数达到100个时停止辐照，如果没有100个翻转，则重复（4）～（7）步骤直到注量达到10⁹n/cm²时停止辐照;（9）通过加载、回读，确定电流及回读功能正常。

4 试验数据及分析

4.1 试验数据

试验原始数据见表7。

4型DSP单粒子翻轉数随中子辐射注量变化如图4～图7所示，从图可以看出，单粒子翻转数随中子辐射注量呈现为线性关系，表明试验所选用的中子辐射注量率的大小合理，试验数据科学可靠。

TMS320C6418型DSP中子单粒子效应翻转数随注量变化如图5所示。

TMS320C6416型DSP中子单粒子效应翻转数随注量变化如图6所示。

SM320C6415型DSP中子单粒子效应翻转数随注量变化如图7所示。

4.2 单粒子翻转截面计算

单粒子翻转敏感截面计算如式（1）和式（2）所示：式中：σ_bit为每存储位（bit）的单粒子翻转截面值，单位cm²/bit;N为翻转数;F为试验中子总注量，单位n/cm²;bit_total为受试bit总数。式中：σ_devic为器件单粒子翻转截面值，单位cm²/device。

根据式（1）和式（2），计算得出4种型号DSP器件的单粒子效应敏感截面值，见表8。

4.3 单粒子翻转率计算

航空复杂电子器件任务期间所遭受的大气中子注量率视任务飞行高度、维度情况而定。在12000m飞行高度上，器件遭受的大气中子国际典型值为6000n/（cm²·h），DSP器件大气中子单粒子翻转率如式（3）所示：式中：SEE_rate-device为器件单粒子效应翻转率，单位n/（device·h）;FLUX为典型工们洞镜下的中子注量，本次取值6000n/（cm²·h）;A为加权系数，取值与器件特征尺寸相关，一般情况建议，特征尺寸≤90mn，取值为1;特征尺寸为90～130nm之间，取值为1.5;特征尺寸大130nm的工艺器件，A取值为2。见表9。

5 结论

国外大量研究表明，DSP器件是一种大气中子单粒子效应敏感器件，这种器件广泛使用在复杂航空电子设备中。为了验证及掌握该类器件的大气中子单粒子效应失效机制，填补国内DSP器件大气中子单粒子效应试验空白，本文设计了一套地面模拟试验，包括试验样品敏感架构分析、试验设计、试验实施和试验数据及分析等。

本文通过DSP器件中子单粒子效应试验结果进行数据分析，计算器件敏感截面及对模拟真实飞行条件的器件失效率预估可以看出，DSP器件是大气中子单粒子效应敏感器件，带存储单元的功能模块会发生单粒子翻转（SEU）等中子单粒子效应。

参考文献

[1]IEC/TS 62396 PART1-2006 Process management for avionicsaccomm。dation of atmospheric radiation effects via single eventeffects within avionics electronic equipment[S].2006.

[2]RTCA DO-254 Design assurance guidance for airborne elec-tronic hardware[S].RTCA，Washington，DC，2000.

[3]IEC/TS-62396 Part2 Guidelines for single event effects testingfor avionics systems Process management for avionics[S].2008.

[4]TMS320F2810，TMS320F2811，TMS320F2812，TM-S320C2810，TMS320C2811，TMS320C2812 Digital signalprocessors data manual[Z].Texas Instrument，2011.

[5]TMS320C6418 Fixed point digital signal processor data man-ual[Z].Texas Instrument，2005.

[6]TMS320C6414T，TMS320C6415T，TMS320C6416T Fixed-point digital signal processor[Z].Texas Instrument，2006.

[7]SM320C6414-EP，SM320C6415-EP，SM320C6416-EPFixed point digital signal processor[Z].Texas Instrument，2008.