0 引言

　　為了對(duì)抗激光對(duì)于固定軍事目標(biāo)的威脅，激光對(duì)抗技術(shù)的研究已經(jīng)成為一個(gè)重要課題。高性能激光告警接收機(jī)采用面陣探測(cè)器，具有高速峰值檢測(cè)和實(shí)時(shí)判斷的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)高速可靠地探測(cè)軍用制導(dǎo)武器所發(fā)出的各種波長(zhǎng)的窄脈沖激光的目的。系統(tǒng)高層處理算法處理的數(shù)據(jù)量較低層算法少，算法的控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適于用運(yùn)算速度高、尋址方式靈活、通信機(jī)制強(qiáng)大的DSP來實(shí)現(xiàn)。

　　數(shù)據(jù)送到DSP后，由于高能帶電粒子造成單粒子翻轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致程序無法正確運(yùn)行，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的差錯(cuò)也會(huì)對(duì)激光信號(hào)的判別造成影響。因此如何克服空間粒子效應(yīng)的影響成為高性能DSP能否在空間中應(yīng)用的關(guān)鍵。

1 基于光柵衍射的激光探測(cè)原理

　　激光告警設(shè)備是能夠?qū)す馔{信號(hào)進(jìn)行識(shí)別、截獲、測(cè)量并做出實(shí)時(shí)告警的光電偵察設(shè)備，能夠在地面空間等環(huán)境工作。它以發(fā)射的光的功率、波長(zhǎng)、調(diào)制特性和光信號(hào)的脈沖寬度、脈沖頻率、及編碼等技術(shù)參數(shù)為依據(jù)來制定相應(yīng)的光對(duì)抗措施[1]。

　　入射激光經(jīng)過接收窗口入射到光學(xué)子系統(tǒng)，然后在面陣焦平面探測(cè)器光敏單元成像，并通過FPGA采集信號(hào)，DSP快速處理，輸出結(jié)果經(jīng)處理后將信息顯示在液晶顯示器上，顯示出入射激光波長(zhǎng)和方向等信息。根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，探測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中光學(xué)子系統(tǒng)主要由激光接收窗口、光柵、透鏡組合，以及面陣焦平面探測(cè)器組成。衍射光柵激光波長(zhǎng)和方向探測(cè)原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

2 空間粒子效應(yīng)及處理方法

　　單粒子效應(yīng)在激光告警技術(shù)應(yīng)用中可能出現(xiàn)的主要問題包括：程序存儲(chǔ)中數(shù)據(jù)改變，導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤，不能正確判斷到來的激光信號(hào)的角度和波長(zhǎng)信息；程序存儲(chǔ)區(qū)發(fā)生位變化，使各個(gè)內(nèi)部程序不能正確執(zhí)行；寄存器等系統(tǒng)功能失效等情況。單粒子效應(yīng)主要故障類型見表1。

　　經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在上述故障中出現(xiàn)最多的是單粒子翻轉(zhuǎn)，它不會(huì)造成硬件損毀，可以通過采取有效的措施修復(fù)。在防止單粒子效應(yīng)對(duì)電子芯片的影響時(shí)常用到的容錯(cuò)措施有定期重配置、周期擦除、三模冗余、EDAC等手段[2]。

　　三模冗余(Triple Modular Redundancy，TMR)方法以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和效果可靠被廣泛地應(yīng)用于單粒子翻轉(zhuǎn)的容錯(cuò)處理中。由于片外冗余方式易增加電路的復(fù)雜性和功耗等，這里采用片內(nèi)冗余：外置存儲(chǔ)器分配三個(gè)地址空間對(duì)程序數(shù)據(jù)燒寫操作，保證某一位地址空間的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)仍有其他程序正確執(zhí)行[3，4]。

3 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

　　DSP在整個(gè)系統(tǒng)中主要完成數(shù)據(jù)處理，確定激光的波長(zhǎng)、方位角和俯仰角，DSP程序的正確運(yùn)行對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要。DSP抗單粒子主要從硬件和軟件方面來考慮，硬件方面采用“看門狗”電路進(jìn)行DSP故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)，軟件方面采用TMR的程序設(shè)計(jì)。

　　3.1 看門狗電路

　　針對(duì)可能出現(xiàn)的程序跑飛甚至是死機(jī)問題，系統(tǒng)在電路中設(shè)計(jì)了專門的硬件“看門狗”進(jìn)行加固。MAX706是MAXIM公司推出一種專門用來監(jiān)控微處理器工作狀態(tài)的監(jiān)控電路，具有“看門狗”功能。當(dāng)檢測(cè)到DSP發(fā)生故障死機(jī)時(shí)產(chǎn)生復(fù)位脈沖。原理圖如圖2所示。

　　WDI端與DSP的IO口連接，主程序產(chǎn)生的脈沖信號(hào)通過GPIO3引腳傳輸給看門狗電路的輸入端，當(dāng)DSP程序出現(xiàn)問題死機(jī)，在間隔1.6 s后看門狗定時(shí)器溢出，WDI拉低產(chǎn)生復(fù)位操作。電路還提供了手動(dòng)復(fù)位方式，通過S3接通電路，電平拉低后使能人工復(fù)位輸入端MR,輸出有效的復(fù)位信號(hào)。

　　3.2 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

　　處理數(shù)據(jù)前對(duì)從FPGA傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先處理，在DSP程序中對(duì)幀頭標(biāo)志、圖像亮點(diǎn)個(gè)數(shù)標(biāo)志等影響程序運(yùn)行流程的標(biāo)志位進(jìn)行TMR設(shè)計(jì)，然后判斷圖像中亮點(diǎn)的個(gè)數(shù)。激光經(jīng)過閃耀光柵發(fā)生衍射，再經(jīng)過透鏡組入射到探測(cè)器上，會(huì)有正負(fù)一級(jí)和零級(jí)3個(gè)亮點(diǎn)。程序判斷出有3個(gè)亮點(diǎn)后，才繼續(xù)運(yùn)行計(jì)算波長(zhǎng)方位角和俯仰角。其流程圖如圖3所示。

　　3.3 DSP程序燒寫與程序引導(dǎo)中的抗SEU設(shè)計(jì)

　　用高性能、超低功耗、部門架構(gòu)靈活等特點(diǎn)的Flash存儲(chǔ)器CMOS 3.0V引導(dǎo)扇區(qū)閃存AM29LV160作為DSP的外部程序存儲(chǔ)器，將主程序工程做三模冗余備份。首先將引導(dǎo)程序在內(nèi)的所有程序下載到DSP內(nèi)存RAM（0x00000000）中，進(jìn)而對(duì)Flash進(jìn)行數(shù)據(jù)燒寫，在寫入Flash中存儲(chǔ)時(shí)存入不同的地址空間做備份處理。部分程序代碼如下：

　　void Flash(void)

　　{

　　unsigned short j;

　　int i=0;

　　i= ReadID();

　　EraseChip();   //擦除Flash

　　for(i=0;i<0x40000;i+=2)

　　{

　　j=*(unsigned short *)i;

　　WriteFlash(0x90000000+i,j);

　　WriteFlash(0x90040000+i,j);

　　WriteFlash(0x90080000+i,j);

　　}

　　}

　　與RAM型器件中出現(xiàn)的單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象而引起的故障不同，F(xiàn)lash的單粒子翻轉(zhuǎn)類錯(cuò)誤長(zhǎng)期存在。針對(duì)Flash器件可能出現(xiàn)的單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，采用三模冗余結(jié)合定時(shí)刷新技術(shù)。在進(jìn)行完差錯(cuò)檢驗(yàn)并得到正確的數(shù)據(jù)以后，每隔一段時(shí)間自動(dòng)執(zhí)行Flash燒寫并進(jìn)行再次備份的方式，將原來有可能累積的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)不斷擦除，即能確保設(shè)備的運(yùn)行速度也保證了即使設(shè)備處于長(zhǎng)時(shí)間的輻射影響中，也不會(huì)使錯(cuò)誤積累。

　　3.4 差錯(cuò)檢驗(yàn)及校正

　　備份在Flash中的程序在下載到DSP以后，為了保證能夠正確運(yùn)行，需要在運(yùn)行之前進(jìn)行差錯(cuò)檢驗(yàn)和表決，驗(yàn)證是否有bit位發(fā)生變化。這里通過在上電自舉的二次引導(dǎo)程序中增加輸出數(shù)據(jù)的差錯(cuò)判決單元的方法來實(shí)現(xiàn)這一功能。如果在判決中發(fā)現(xiàn)有地址中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤則進(jìn)行校正，確保運(yùn)行的程序正確無誤[5，6]。

　　引導(dǎo)程序以逐位檢驗(yàn)的方式進(jìn)行檢錯(cuò)，表決時(shí)采用三中取二原則，對(duì)三個(gè)主程序的每一個(gè)地址的各位依次進(jìn)行表決，以確定要運(yùn)行的主程序數(shù)據(jù)。其原理圖如圖4所示。

　　差錯(cuò)檢驗(yàn)及表決過程如下：

　　cmpeq B3,B2,B0//比較寄存器B3和B2，

　　//相等時(shí)B0置一，否則置零

　　[!B0] cmpeq B3,B1,B0//若B0不等于一比較

　　//B3和B1，相等則將B0置一，否則置零

　　[!B0] cmpeq B2,B1,B0

　　[!B0] stw  B1,*B3//若B0的值不等于一，

　　//則將寄存器B3地址中的數(shù)據(jù)存入B1中

　　stw  B3,*B4++//將寄存器B4地址中的數(shù)據(jù)

　　//寫入B3，尋址后B4自動(dòng)加一

　　add  1,A1,A1

　　cmplt A1,B5,B0  //A1與B5比較，A1小于B5時(shí)

　　//B0置1，否則置零

　　[B0] b loop//B0為1程序跳至loop循環(huán)

　　b_c_int00//否則跳至主程序入口

　　在進(jìn)行二次引導(dǎo)的時(shí)候，從起始地址開始進(jìn)行依次判決并循環(huán)操作直到最后一位地址結(jié)束，隨后進(jìn)入主程序執(zhí)行相關(guān)操作。

4 實(shí)驗(yàn)

　　受實(shí)驗(yàn)條件限制無法模擬高能粒子輻射環(huán)境，針對(duì)抗單粒子翻轉(zhuǎn)只對(duì)DSP上電引導(dǎo)程序差錯(cuò)屏蔽功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：在一個(gè)備份地址中寫入錯(cuò)誤數(shù)據(jù)i，執(zhí)行完操作后可以看到DSP內(nèi)存空間中的數(shù)據(jù)更新為校正后的正確數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

　　(1)首先在ccs3.3中對(duì)引導(dǎo)程序和主程序進(jìn)行編譯，正確無誤后通過JTAG接口下載燒寫進(jìn)DSP內(nèi)部RAM中。運(yùn)行Flash燒寫程序?qū)?shù)據(jù)存至三個(gè)不同的地址空間作為備份，結(jié)果如圖5所示。

　　(2)關(guān)閉ccs使開發(fā)板脫離仿真環(huán)境，對(duì)DSP進(jìn)行重新上電啟動(dòng)上電自舉程序，DSP將會(huì)在二次引導(dǎo)時(shí)完成差錯(cuò)檢驗(yàn)及校正，之后進(jìn)行主程序的執(zhí)行。利用DSP仿真通過JTAG接口查看DSP內(nèi)部存儲(chǔ)空間中的數(shù)據(jù)。能夠驗(yàn)證已將錯(cuò)誤屏蔽掉。結(jié)果如圖6所示。

5 結(jié)論

　　本文解決了激光告警設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)高速激光信號(hào)采集與處理時(shí)高能粒子翻轉(zhuǎn)造成DSP芯片無法正常工作的問題。提出了以對(duì)外擴(kuò)展非易失性存儲(chǔ)器Flash芯片作為存儲(chǔ)模塊，并采用自啟動(dòng)技術(shù)進(jìn)行程序的引導(dǎo)，調(diào)用以及執(zhí)行。通過信號(hào)預(yù)處理、三模冗余以及在引導(dǎo)程序中增加判決單元進(jìn)行檢驗(yàn)糾錯(cuò)的方法進(jìn)行DSP抗輻射程序的加固。保證了設(shè)備能夠在脫離PC進(jìn)入空間環(huán)境后穩(wěn)定運(yùn)行。

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