专利名称：一种检测微处理器抗单粒子事件能力的探测器及方法
技术领域：
本发明涉及空间探测技术领域，特别是一种检测微处理器抗单粒子事件能力的探测器及方法。
背景技术：
单粒子事件是空间单个高能粒子，包括重离子、高能质子、高能电子或中子轰击微电子器件，导致微电子器件逻辑功能翻转或器件损坏的事件，主要有单粒子翻转事件和单粒子锁定事件。单粒子翻转是高能带电粒子在半导体芯片中的电离作用而造成的数据位翻转。单粒子锁定是高能带电粒子引起的电子元器件死锁。随着微电子器件在航天工程中得到越来越广泛的应用，以及微电子器件的集成度越来越高，单粒子事件对航天工程的威胁也越来越大，所带来的后果是严重的。
计算机系统在航天工程往往担负着非常重要任务，CPU又是计算机的心脏，如其发生单粒子翻转事件，必将导致程序走向混乱，使计算机无法正常工作，所以现在迫切需要解决的现实问题就是如何防止计算机电路芯片发生单粒子事件。从航天工程的角度应该选用抗单粒子事件能力较强的CPU，并采取必要的对策及防护措施，减少单粒子事件的发生几率，避免发生锁定现象，提高航天器的可靠性，延长航天器工作寿命，最终实现提高航天器效益的目的，就成为当务之急。目前，国内第一个16位微处理器1750A已研制完成，由于是新产品，有待于通过试验来验证其抗辐照能力。为此，设计了这种检测1750A抗单粒子事件能力的探测器，如其试验结果能够满足航天工程对器件抗辐照能力的要求，可将其提供给航天部门作为对CPU进行选型的参考。
目前，验证CPU抗辐照能力的探测仪器，往往只是通过使用硬件电路监测CPU地址线的方法来测试单粒子事件，而且这种方法也仅仅局限于测试单粒子翻转事件。本发明则是将软硬件验证方法相结合，在软件设计中加入了软件防护措施。利用此种方法既简化了硬件电路设计，又有效地减少了通常仅用被测CPU对其自身寄存器测试漏测的单粒子事件，从而达到了既监测单粒子事件，又验证软件防护措施有效性的目的。并且在本发明中，通过使用限流器监测被测CPU系统工作电流的方法，更有效的测试了单粒子锁定事件。本发明可通过地面模拟试验和装载在卫星上进行在轨试验相结合的方法来验证CPU的抗单粒子事件能力，试验充分，数据详尽，其试验数据可作为航天部门对CPU进行选型的重要参考。而且本发明的设计通用性较高，只需稍加改动，即可用于检测其它类别CPU的抗单粒子事件能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种检测微处理器抗单粒子事件能力的探测器及方法。特别是一种结合软件防护措施检测微处理器1750A抗单粒子事件能力的探测器，通过将此探测器装载在卫星上或进行地面模拟试验，获得该器件的单粒子翻转事件几率和计算机系统发生单粒子锁定的测量结果，试验数据可作为航天部门对CPU进行选型的参考。
本发明设计的关键有两方面一是CPU单粒子事件的测试方法；二是软件防护措施及其有效性测试。
本发明完全是按照制作航天仪器的要求进行设计的，所采用元器件除试验器件外，其余均选用军品器件。为了有效降低单CPU自测试由于运行自测试程序带来的检测误差，该仪器CPU单粒子翻转测试采用被测试的CPU自测试系统与一个外部的计算机监视控制系统相结合，辅以软件防护措施的综合测试方法。即该探测器由2套CPU子系统组成，它们分别是监测控制CPU(目前采用的CPU是80C31)子系统，及被测CPU子系统，即国产1750A系统。
探测器通过装载在卫星上或进行地面模拟试验来检测国产16位微处理器1750A抗单粒子事件能力。
整个探测器由机箱、底板、一块屏蔽板，三块功能模块，即监控系统板、试验板、电源板组成。
监控系统板由80C31微处理器、程序存储器、数据存储器、地址锁存器、地址译码器、逻辑控制、A/D转换器，I/O接口及看门狗电路等组成，用于对被测系统(传感器)进行监测记录、数据管理和控制，通过总线连接。
试验板由被测微处理器1750A、程序存储器、数据存储器、地址锁存器、地址译码器、逻辑控制、看门狗电路、与监控80C31子系统的接口电路等组成。
电源板由电源模块、电源滤波、继电器、限流器等组成。
检测微处理器抗单粒子事件能力的探测器，监控系统板还包括遥测接口和开关控制接口，通过遥测接口连接于外部数据接收系统，并通过开关控制接口连接于电源板。
开关控制接口连接于电源板的继电器。
电源板分别连接于监控系统板和试验板。
电源板的限流器连接于试验板和监控系统板的电流监测电路。
为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图详细说明如后，其中图1是本发明的探测器工作原理框图；图2是本发明的探测器监控部分程序流程图；图3是本发明的探测器被测微处理器系统程序流程图；图4是本发明的探测器电源系统电原理图。
具体实施例方式
如图1所示，本系统中一片被测微处理器1750A，与装有加保护措施程序的程序存储器(PROM)，数据存储器(RAM)及其它外围电路构成一个系统，作为监测单粒子翻转的传感器；一片80C31微处理器、程序存储器(PROM)、数据存储器(RAM)、A/D转换器及其他外围电路构成监控部分，此部分被安装在屏蔽板后，屏蔽板为厚度3mm的铝板，该屏蔽板起到隔离辐射保护监控系统的作用。
作为监控部分的80C31系统工作步骤如下参见图2。
步骤S2-1，控制作为传感器的被测微处理器的复位；步骤S2-2，定期接收作为传感器的被测微处理器送来的数据，并比较其输出的结果是否与预期的相同，如果在限定时间内未收到或收到错误的数据，则认为被测系统受到单粒子事件影响程序运行混乱，便记录下此时的时间，并计算出由单粒子事件造成系统错误的累计计数(自开机开始累计)，并对被测微处理器实施复位操作，如连续30次无应答则判定被测芯片彻底失效，此时将彻底关闭被测系统，不再进行复位操作；步骤S2-3，接收由被测微处理器自测试得到的单粒子事件数据，包括有死机、自动复位和内部寄存器、数据存储器RAM单元发生单粒子翻转，以及利用必要的软件防护措施纠正的程序走飞的单粒子事件，如监测出上述情况，系统将记录下此时的时间，并计算出被测系统发生单粒子事件的累计计数，区分出事件类型，并将该记录事件的数据包保存在数据存储器RAM中，等待由遥测接口送出；步骤S2-4，通过限流器，采集作为传感器的被测系统的工作电流，如电流过大不正常，即有可能发生单粒子锁定事件，系统此时将每隔1秒采集一次电流值，连续采三次，并计算出由单粒子事件造成系统错误的累计计数，并将三个电流值连同累计计数、标识码、发生事件的时间、该事件的类别表示码一起形成一个数据包，保存在数据存储器RAM中，等待由遥测接口送出；同时通过继电器对被测微处理器系统进行关闭重新启动操作，如进行重新启动操作30次，电流仍不正常，则可能有器件损坏，此时将彻底关闭被测系统，不再进行重启操作；步骤S2-5，由遥测接口送单粒子事件记录数据给遥测系统，此遥测系统在地面试验时为地面测试接收设备，装星时即为卫星远程终端数据控制系统。此过程由监控系统CPU中断响应来完成，即由遥测系统发送数据选通信号使监控系统80C31CPU产生一外部中断，监控系统CPU便暂停监测工作，开始向遥测系统发送数据，完成后继续监测。
被测微处理器系统工作步骤如下参见图3。
步骤S3-1，自测试被测微处理器内部寄存器和数据存储器RAM的单粒子翻转事件；步骤S3-2，捕获由于单粒子翻转导致的程序走飞，并通过软件防护措施纠正其程序恢复正常，软件防护措施有效减少了通常仅用被测CPU对其自身寄存器测试漏测的单粒子事件，这种自我保护能力，使软件系统对于单粒子造成的瞬间软故障，能识别并进行处理；对于程序走飞、死锁，系统能恢复，并回卷执行；步骤S3-3，送单粒子事件记录数据给监控系统；步骤S3-4，定时送预定数据给监控系统，表明系统运行正常；探测器电源系统设计如图4所示，采用二次电源供电方式，也放置在屏蔽板之后。主要技术包括a.二次电源采用DC/DC电源模块，输入为+28V，输出为+5V，其对一次电源具有过流过压保护措施，过流保护电流设计为1A。
b.二次电源与一次电源之间采用限流电阻保护，一旦滤波电容电路失效，限流电阻将烧成高值电阻，能有效的实现故障隔离。
c.二次电源分为两路供电，两路均有独自的电源模块和电源滤波，其中一路供给监控系统，另一路供给被测试系统。如此设计，当被测试系统一旦发生单粒子事件，致使电流增大或器件损坏等，可有效隔离其对监控系统的影响，即使被测试系统失效，监控系统仍可继续工作。
d.在与被测系统电源接口处使用限流器和继电器。
e.限流器能有效的检测被测系统电流，电流信号通过A/D转换传输到监控系统的CPU，实现对被测系统的电流监控，用以监测单粒子锁定事件。
f.继电器即为被测系统的电源开关，由监控系统CPU发出开关指令信号来控制继电器，实现对被测试系统的开关控制，能有效的在被测微处理器1750A发生锁定时对其进行开关操作，起到保护整个电路，使其免受由单粒子锁定事件造成电流增大而烧毁电路的影响。
此探测器可装载在卫星上，将被测微处理器系统(传感器)安装在靠卫星蒙皮处，通过在轨飞行试验，验证该试验器件的抗辐照能力。由于进行一次空间飞行试验的花费大，机会少，所以对该探测器也可在地面进行模拟试验，通过试验，获得该试验器件的单粒子翻转率、翻转截面，通过计算验证其抗辐照能力。
本探测器的发明点为a.本发明采用被测试的CPU自测试系统与一个外部的计算机监视控制系统相结合，辅以软件防护措施的综合测试方法，有效减少了通常仅用被测CPU对其自身寄存器测试漏测的单粒子事件，并简化了硬件设计。
b.电源系统分为两路供电，两路均有独自的电源模块和电源滤波，其中一路供给监控系统，另一路供给被测试系统。有效隔离被测系统及监控系统，即使被测试系统失效，监控系统仍可继续工作。
c.使用限流器检测被测系统电流，用以监测单粒子锁定事件。
d.监控系统可通过继电器实现对被测试系统的电源开关控制，能有效的在被测微处理器发生锁定时对其进行开关操作，起到保护整个电路，使其免受由单粒子锁定事件造成电流增大而烧毁电路的影响。
e.将单粒子事件记录按照发生的形式和部位不同进行分类，加以不同的类别码，使工作人员能快速地做出判断，方便研究。
权利要求
1.一种检测微处理器抗单粒子事件能力的探测器，由监控系统板、试验板、电源板组成，其特征在于，监控系统板包括微处理器、程序存储器、数据存储器、地址锁存器、地址译码器、逻辑控制、A/D转换器，I/O接口及看门狗电路，用于对被测系统进行监测记录、数据管理和控制，通过总线连接；试验板包括被测微处理器、程序存储器、数据存储器、地址锁存器、地址译码器、逻辑控制、看门狗电路、与监控系统的接口电路；电源板包括电源模块、电源滤波、继电器、限流器；监控系统板通过数据总线与试验板连接。
2.根据权利要求1的检测微处理器抗单粒子事件能力的探测器，其特征在于，监控系统板还包括遥测接口和开关控制接口，通过遥测接口连接于外部数据接收系统，并通过开关控制接口连接于电源板。
3.根据权利要求2的检测微处理器抗单粒子事件能力的探测器，其特征在于，开关控制接口连接于电源板的继电器。
4.根据权利要求1的检测微处理器抗单粒子事件能力的探测器，其特征在于，电源板分别连接于监控系统板和试验板。
5.根据权利要求4的检测微处理器抗单粒子事件能力的探测器，其特征在于，电源板的限流器连接于试验板和监控系统板的电流监测电路。
6.根据权利要求1的检测微处理器抗单粒子事件能力的探测器，其特征在于，监控系统板的微处理器是80C31。
7.一种检测微处理器抗单粒子事件能力的探测器的方法，其中，监控部分的工作步骤如下步骤S2-1，控制作为传感器的被测微处理器的复位；步骤S2-2，定期接收作为传感器的被测微处理器送来的数据，并比较其输出的结果是否与预期的相同，如果在限定时间内未收到或收到错误的数据，则认为被测系统受到单粒子事件影响程序运行混乱，便记录下此时的时间，并计算出由单粒子事件造成系统错误的累计计数，并对被测微处理器实施复位操作，如连续30次无应答则判定被测芯片彻底失效，此时将彻底关闭被测系统，不再进行复位操作；步骤S2-3，接收由被测微处理器自测试得到的单粒子事件数据，包括有死机、自动复位和内部寄存器、数据存储器单元发生单粒子翻转，以及利用必要的软件防护措施纠正的程序走飞的单粒子事件，如监测出上述情况，系统将记录下此时的时间，并计算出被测系统发生单粒子事件的累计计数，区分出事件类型，并将该记录事件的数据包保存在数据存储器中，等待由遥测接口送出；步骤S2-4，通过限流器，采集作为传感器的被测系统的工作电流，如电流过大不正常，即有可能发生单粒子锁定事件，系统此时将每隔1秒采集一次电流值，连续采三次，并计算出由单粒子事件造成系统错误的累计计数，并将三个电流值连同累计计数、标识码、发生事件的时间、该事件的类别表示码一起形成一个数据包，保存在数据存储器中，等待由遥测接口送出；同时通过继电器对被测系统进行关闭重新启动操作，如进行重新启动操作30次，电流仍不正常，则判定可能有器件损坏，此时将彻底关闭被测系统，不再进行重启操作；步骤S2-5，由遥测接口送单粒子事件记录数据给遥测系统，此遥测系统在地面试验时为地面测试接收设备，装星时即为卫星远程终端数据控制系统。
8.根据权利要求7的检测微处理器抗单粒子事件能力的探测器的方法，其特征在于，步骤S2-5的过程，是由监控系统CPU中断响应来完成，即由遥测系统发送数据选通信号使监控系统80C31CPU产生一外部中断，监控系统CPU便暂停监测工作，开始向遥测系统发送数据，完成后继续监测。
9.一种检测微处理器抗单粒子事件能力的探测器的方法，其中，被测微处理器工作步骤如下步骤S3-1，监测被测微处理器内部寄存器和数据存储器单元的单粒子翻转事件；步骤S3-2，捕获由于单粒子翻转导致的程序走飞，并通过软件防护措施纠正其程序恢复正常，软件防护措施有效减少了通常仅用被测微处理器对其自身寄存器测试漏测的单粒子事件，这种自我保护能力，使软件系统对于单粒子造成的瞬间软故障，能识别并进行处理；对于程序走飞、死锁，系统能恢复，并回卷执行；步骤S3-3，送单粒子事件记录数据给监控系统；步骤S3-4，定时送预定数据给监控系统，表明系统运行正常。
全文摘要
本发明涉及空间探测技术领域，特别是一种检测微处理器抗单粒子事件能力的探测器及方法。探测器包括监控系统板、试验板、电源板。方法包括监控部分1)控制作为传感器的被测微处理器的复位；2)定期接收作为传感器的被测微处理器送来的数据；3)接收由被测微处理器自测试得到的单粒子事件数据；4)通过限流器，采集被测系统的工作电流；5)送单粒子事件记录数据给遥测系统。被测微处理器部分1)监测被测微处理器内部寄存器和数据存储器的单粒子翻转事件；2)捕获由于单粒子翻转导致的程序走飞；3)送单粒子事件记录数据给监控系统；4)定时送预定数据给监控系统，表明系统运行正常。
文档编号G01N35/00GK1760676SQ20041008364
公开日2006年4月19日 申请日期2004年10月14日 优先权日2004年10月14日
发明者王晶, 孙越强, 朱光武, 王世金, 梁金宝, 乔万里, 陶鹏, 袁庆智, 杜起飞 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心