芯耀
46
本文來自公眾號“老石談芯”
8 年前，NASA 和約翰霍普金斯大學(xué)聯(lián)合立項，投入 15 億美元打造一款繞日探測衛(wèi)星。2018 年，這款名為“帕克號”的太陽探測器發(fā)射升空。帕克號上的電子系統(tǒng)和儀器組由多個 FPGA 共同控制，幫助帕克號成為有史以來最接近太陽和速度最快的人造航天器。
帕克太陽探測器上的宇航級 FPGA
帕克太陽探測器的主要目標(biāo)是探究和解決太陽風(fēng)形成的原因，并研究加速各種高能太陽粒子的神秘力量。帕克太陽探測器是目前人類制造的移動速度最快的物體，在最大軌道速度下，它將以接近每小時 70 萬公里的速度穿越太陽的日冕層。如果在地球上以這個速度航行，不到一分鐘就能從華盛頓到達(dá)東京。
正因如此，帕克太陽探測器成就了另外一個里程碑 -- 太陽系中速度最快的 FPGA：來自 MicroSemi 公司的抗輻射宇航級 RTAX4000 系列 FPGA。
盡管這里的“最快”并不是指 FPGA 的運行頻率，而是它們高達(dá) 70 萬公里 / 小時的巡航速度，但是這些基于 0.15μm 工藝制造的 FPGA 有著很多獨特的亮點。
在復(fù)雜的宇航空間環(huán)境下，存在著大量的高能帶電粒子，它們會造成集成電路中的電子元件的電位狀態(tài)的改變，如從“0”變成“1”，或從“1”變成“0”，這種現(xiàn)象叫做單粒子翻轉(zhuǎn)（Single-Event Upsets, SEU）。這些微小的數(shù)位改變對于數(shù)字系統(tǒng)的影響往往是致命的。因此，在帕克號的 FPGA 中集成了抗 SEU、外加三重冗余保護(hù)（Triple Module Redundancy - TMR）的寄存器，使 SEU 發(fā)生的概率降到了十的負(fù)十次方。
FPGA 上還有專門的邏輯發(fā)現(xiàn)和修正 SRAM 上發(fā)生的位翻轉(zhuǎn)。即使 SRAM 自帶的錯誤檢測和校正電路發(fā)生故障，這些 SEU 也能被發(fā)現(xiàn)并修正。
此外，RTAX4000 FPGA 采用了金屬對金屬的反熔絲結(jié)構(gòu)互聯(lián)，因此即使受到宇宙離子沖擊也不會改變 FPGA 的邏輯結(jié)構(gòu)。
帕克號基于 FPGA 的 DSP 與控制系統(tǒng)
帕克號配備了五種科學(xué)儀器，合稱為“FIELDS”儀器組。它包含了多種傳感器和測試儀表，主要用來測量電場和磁場、等離子體波譜和極化特性、電子密度和溫度分布以及太陽射電輻射等，如下圖所示。
探測器的電子系統(tǒng)包含兩個 Microsemi 公司的抗輻射宇航級 RTAX4000 FPGA 芯片，見下圖紫紅色部分。
其中，一個 FPGA 位于 FIELDS 儀器組內(nèi)，如下圖所示。它主要負(fù)責(zé)將 26 路傳感器的輸入信號以 150 kSa/s 的采樣速率進(jìn)行數(shù)字信號處理，以產(chǎn)生光譜和跨譜矩陣，以及對應(yīng)的時間序列數(shù)據(jù)。
另外一個 FPGA 位于探測器的數(shù)據(jù)控制電路板（DCB）上，用來作為 FIELDS 儀器組的主要控制器，如下圖所示。同時，這個 FPGA 負(fù)責(zé)控制 FIELDS 與航天器的連接和通信，即接收并解碼來自航天器的指令，并將其傳送到儀器組的各個子系統(tǒng)中。
這個 FPGA 包含了一個復(fù)雜的外接存儲系統(tǒng)，包含了 32kB 抗輻射 PROM，2MB SRAM，512KB EEPROM 和 32GB 閃存。其中，PROM 中保存著 FIELDS 儀器組的啟動軟件，EEPROM 中保存著儀器組的操作軟件、機(jī)載腳本，以及其他儀表的參數(shù)。在儀器啟動過程中，EEPROM 中的數(shù)據(jù)會被傳輸?shù)?SRAM 中運行。
此外，F(xiàn)PGA 還集成了一個 32 位的嵌入式 CPU。這個 CPU 使用了 ColdFire 架構(gòu)，它是上世紀(jì) 70 年代末摩托羅拉半導(dǎo)體 68000 處理器的升級版，可以稱得上是微處理器里的活化石和上古神跡了。
在這個 FPGA 中，還實現(xiàn)了 FIELDS 儀器組的模擬信號管理、儀器控制、航天器接口、大容量內(nèi)存控制器，以及 RF 頻譜儀。FPGA 控制 DCB 系統(tǒng)與航天器交換電磁場信息與飛行狀態(tài)，并通過航天器的消息系統(tǒng)跟蹤任務(wù)運行時間。
結(jié)語
帕克太陽探測器的第二個近日點預(yù)計將在今年 4 月。在 7 年的任務(wù)中，飛船將經(jīng)歷 24 個近日點，而最后的三個近日點將把宇宙飛船帶到離太陽表面僅 380 萬英里的地方，使得帕克號面向太陽一側(cè)的隔熱罩外的溫度達(dá)到 1370 攝氏度。在這個大膽而令人興奮的旅程中，F(xiàn)PGA 的表現(xiàn)十分值得期待。
由于 FPGA 兼顧了性能和功耗，同時有高容錯、強(qiáng)抗干擾的能力，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。希望伴隨著 FPGA 技術(shù)的發(fā)展，人類會在探索宇宙的道路上加速前行。
