星载FPGA芯片自动监测系统的制作方法

星载fpga芯片自动监测系统
技术领域
1.本发明涉及fpga芯片技术领域，特别涉及一种星载fpga芯片自动监测系统。


背景技术：

2.对卫星数据传输产品处理数据速率、传输模式、任务需求等功能要求不断提升，产品核心功能器件fpga芯片的逻辑资源用量、运算速度、功耗随之增加。真空环境对散热不利，过多热量积累容易引起热击穿或电击穿，造成芯片失效。同时高速率和资源需求的fpga以sram型为最佳，基于此工艺的fpga断电后不能保存自身的逻辑设置信息，必须在每次上电时由外部写入配置信息后方可运行。


技术实现要素：

3.针对对卫星数据传输产品处理数据速率、传输模式、任务需求的不断提升，本发明提出了一种星载fpga芯片自动监测系统。
4.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
5.一种星载fpga芯片自动监测系统，包括：
6.上级系统，用于发送监测指令及统筹接收监测信息；
7.监测fpga，用于接收上级系统命令及配置文件重组发送模块发送的配置文件信息对被测fpga进行监测，并向所述上级系统反馈监测信息；
8.配置文件重组发送模块，对所述监测fpga的配置文件进行重组并从rs422数据链路发送给所述监测fpga；
9.flash存储芯片，用于存储写入所述监测fpga的配置信息；
10.供电系统，用于向所述被测fpga、flash存储芯片和所述监测fpga提供所需的电能。
11.优选的，所述监测fpga包括：
12.遥控遥测处理模块，用于接收上级系统命令对被测fpga进行监测，并反馈监测信息；
13.温度采集模块，用于采集被测fpga运行时芯片内核温度，并反馈温度信息给所述遥控遥测处理模块；
14.文件上注模块，用于接收所述配置文件重组发送模块发送的配置文件信息，并存储在所述flash存储芯片中；
15.配置信息写入模块，从所述flash存储芯片中读出配置文件信息，在线对被测fpga进行编程；
16.系统初始化模块，用于初始化本系统，判定合理时间内启动被测fpga及判定命令重启产品所有功能。
17.优选的，所述遥控遥测处理模块包括：
18.遥测采集单元，对接被测fpga，实时问询工作状态，对接所述温度采集模块，最终
将所有遥测数据汇总并计算组成具有校验和的数据帧；
19.协议处理单元，将通信约定具体化，调度双工数据；
20.遥控解析单元，用于负责判定接收数据校验的正确性、核实指令内容是否在此次通信约定的指令集内，对于通过查验的指令交给指令转发单元进行进一步处理和分发，不合格的指令数据直接予以丢弃；
21.第一串并转换单元，对接收到的数据进行串并转换，并发送到所述遥控解析单元或者所述上级系统；
22.指令转发单元，高可靠性连接被测fpga，同时做三模冗余备份。
23.优选的，所述文件上注模块包括：
24.第二串并转换单元，用于将所述配置文件重组发送模块发送的配置文件信息进行串并转换；
25.数据解析单元，接收所述第二串并转换单元输出的并行数据，缓存并查询文件头，校验此次数据流是数据或命令，通过后bong数据流中抽出有效数据，按照预设的时间轴产生有效门控信号，提供数据给数据存储单元；
26.数据存储单元，根据flash存储芯片的指令启动存储阵列，按字节写入所述数据解析单元提供的数据。
27.优选的，监测系统包括电压采集模块；所述电压采集模块直接采集被测fpga运行时芯片内核供电电压信息，并反馈电压信息给所述遥控遥测处理模块。
28.优选的，所述监测fpga为反熔丝型fpga或者flash型fpga。
29.优选的，所述监测fpga为50万门的规格或者100万门的规格。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
31.本发明动态实时对卫星高速数据处理芯片的运行状态、温度信息、通道数量等进行监测，为其提供工作模式和命令处理发送、提供运行文件存储和开机后自动烧写，具有高可靠性解析命令和执行反馈通信，在无需外部模数转换芯片的情况下实时自动测量fpga内部温度的能力，为监测航天产品的工作状况发挥积极的作用；
32.本发明设计系统分担部分逻辑资源需求，使承担主功能的监测fpga可专注于高速数据处理；
33.本发明同时解决了sram型fpga在启动时的配置信息的写入问题。
附图说明
34.图1为本发明一种星载fpga芯片自动监测系统的原理框图；
35.图2为本发明一实施例中遥控遥测处理模块的原理框图；
36.图3为本发明一实施例中温度采集模块的原理框图。
具体实施方式
37.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
38.参考图1，一种星载fpga芯片自动监测系统，包括：
39.上级系统，用于发送监测指令及统筹接收监测信息；
40.监测fpga，用于接收上级系统命令及配置文件重组发送模块发送的配置文件信息对被测fpga进行监测，并向上级系统反馈监测信息；
41.配置文件重组发送模块，对fpga的配置文件进行重组发送，提取出每4096个byte数据形成一个数据帧，添加文件头、帧头、末尾余数补整，形成一定波特率的码流发送到rs422数据链路上；
42.flash存储芯片，用于存储写入监测fpga的配置信息；芯片规格可根据文件大小选配，文件可重复擦写，更改文件时不影响被测芯片的正常工作；
43.供电系统，用于向被测fpga、flash存储芯片和监测fpga提供所需的电能。
44.本实施例中，本系统无需采用外部模数转换器adc或温度传感器测量温度；硬件上芯片选型具有多种规格兼容性；具备对fpga进行加电后自动编程、存储和更新配置文件的功能，当温度过高或上级设备根据判决结果发出要求时，可随时重置或中止产品所有功能，使系统稳定性达到最高。
45.继续参考图1，监测fpga包括：
46.遥控遥测处理模块，用于接收上级系统命令对被测fpga进行监测，并反馈监测信息；
47.温度采集模块，用于采集被测fpga运行时芯片内核温度，并反馈12bit数字量温度信息给遥控遥测处理模块，地面通过公式转换出实际温度值；
48.文件上注模块，用于接收配置文件重组发送模块发送的配置文件信息，并存储在flash存储芯片中；
49.配置信息写入模块，从flash存储芯片中读出配置文件信息，在线对被测fpga进行编程；
50.系统初始化模块，用于初始化本系统，判定合理时间内启动被测fpga及判定命令重启产品所有功能。
51.工作流程为：
52.步骤1，产品启动，供电系统开始提供电源，此时本系统所述反熔丝或者flash型fpga开始运行程序，前10微秒程序首先根据计数器对所有寄存器进行设置初始值操作；
53.步骤2，计时0.5秒钟整，此时间旨在规避电源芯片因供应的多个用电设备同时启动造成的微小电压波动，进而引发低可能的时序错误现象；系统开始从flash存储芯片中逐个地址或遇到坏块时查找表读出配置文件内容，按照指定时序发送时钟、数据、控制信号到与sram fpga相连的selectmap总线上；在此期间中禁绝文件上注模块的一切操作；全部完成后被测芯片开始运行；
54.步骤3，系统监测到被测fpga正常工作后内核温度测量模块启动；
55.步骤4，系统此时对配置文件上注请求进行处理；在收到上级系统的重注命令后，系统先擦除存储在flash存储芯片中的原文件，后对存储芯片进行自检，将自检结果和坏块表返回上级通信设备；此时从地面测试设备发送配置文件码流，系统进行接收、解析和校验，将符合要求的数据写入flash存储芯片。
56.在系统运行后的任意时刻，遥测遥控处理模块均采用应答的形式响应上级系统的通信请求。在系统运行后的任意时刻，系统初始化模块均响应上级的重启命令，即回到步骤
1。
57.参考图2，遥控遥测处理模块通信速率根据实际情况可选易调；数据协议由双方共同约定，接收方收到命令或发送方受到反馈后都做字节和全数据帧校验，并将校验结果返回，依据校验结果判定是否启动重发机制；数据共经过3次校验以确保无误。其具体包括：
58.遥测采集单元，对接被测fpga，实时问询工作状态，对接温度采集模块，最终将所有遥测数据汇总并计算组成具有校验和的数据帧；
59.协议处理单元，将通信约定具体化，调度双工数据，起到对整个通信过程的指挥作用；较佳的，根据具体通信协议要求的层次，协议处理单元可根据双方要求进行更改，按照需求选通或忽略部分握手协议内容；指令和遥测的实质内容可自定义，不受通信时长和组成数据帧长度限制；
60.遥控解析单元，用于负责判定接收数据校验的正确性、核实指令内容是否在此次通信约定的指令集内，对于通过查验的指令交给指令转发单元进行进一步处理和分发，不合格的指令数据直接予以丢弃；
61.第一串并转换单元，对接收到的数据进行串并转换，并发送到遥控解析单元或者上级系统传输速率可调整但对高层通信协议无任何影响；
62.指令转发单元，高可靠性连接被测fpga，同时做三模冗余备份，确保星地链接上指令传递环节的正确性。
63.本实施例中，上级设备发送到本系统的有效信息分为两类：一类是命令，是对产品工作模式、数据速率、输出功率等的设置信息；另一类是状态查询请求，要求本系统回复产品当前的工作模式、数据速率、输出功率、内核温度等状况信息。
64.遥控遥测处理模块的通信过程为：
65.步骤1，若对上级设备总线上提示有数据，实时缓存n个字节，若前n/2个不是符合协议约定的启动序列，则直接丢弃此段信息；若符合，则将序列中命令位置区包含的内容缓存到相应寄存器(cmd)，暂时视为可考察的有效指令；
66.步骤2，查找指令表，寄存器cmd中的内容以下情况视为合法：1)符合产品工作模式或速率等切换命令的格式要求，且数值均在可执行范围内，判定为此次通信上级设备发送了一条命令；2)与状态查询请求的内容完全一致，判定为此次通信上级设备发送了状态查询请求；
67.步骤3，无论是判定收到命令或者采集请求，都根据协议对整条通信序列进行整体校验，如校验和与发送不符，说明传输中出现了错误。系统需要规避操作错误的可能，并提示上级设备重发；
68.步骤4，若命令序列完全合法且正确，执行命令，向上级设备发回“命令校验正确已执行”信息；若命令序列不合法或不正确，向上级设备发送“命令校验不正确、拒绝执行”信息；
69.步骤5，若判定为状态查询请求，系统查询产品工作状态并打包，发回上级设备遥测信息；
70.步骤6，发送遥测信息的200毫秒内，上级设备应返回对此次状态查询请求的反馈，分为“遥测信息校验正确”或“遥测信息校验错误”两种；若收到校验错误信息或者200毫秒超时无响应，系统重新发送工作状态信息。
71.缓存产品当前工作状态命令的信息保存在3个寄存器currant_1～currant3中，即三模冗余备份，针对空间环境的单粒子、辐射的破坏等情况极难出错。控制命令的输出根据currant_1～currant3的值进行译码。控制命令的输出和工作状态的反馈通过12个互相独立的信号线，作为一种改进，对工作模式、速率、功率等有效信息的编码，可使用单电平控制、抑或多个电平的分组、多种高低电平编码方式的组合。
72.在一个实施例中，文件上注模块包括：
73.第二串并转换单元，用于将配置文件重组发送模块发送的配置文件信息进行串并转换；
74.数据解析单元，接收第二串并转换单元输出的并行数据，缓存并查询文件头，校验此次数据流是数据或命令，通过后bong数据流中抽出有效数据，按照预设的时间轴产生有效门控信号，提供数据给数据存储单元；
75.数据存储单元，根据flash存储芯片的指令启动存储阵列，按字节写入数据解析单元提供的数据。
76.在一个实施例中，星载fpga芯片自动监测系统包括电压采集模块；电压采集模块直接采集被测fpga运行时芯片内核供电电压信息，并反馈电压信息给遥控遥测处理模块。
77.本实施例中，电压采集模块可配置为与温度采集模块应用相同的方法采集芯片内核供电电压信息，提供芯片更多运行健康状况信息。
78.在一个实施例中，监测fpga为反熔丝型fpga或者flash型fpga，其规格为50万门或者100万门。
79.本实施例中，监测fpga可以采用反熔丝型fpga，具体规格为ax500
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1pq208i，也可以用flash型fpga，如a3pe3000系列。
80.参考图3，系统与被测fpga的jtag接口直连，信号为：时钟tck、控制tms、数据tdi和tdo。操作fpga的jtag接口和xadc寄存器遵循照芯片制造方的设计进行，通过tms信号线上高低翻转的不同排列组合对fpga各类内核控制寄存器寻址和读写操作。温度采集模块的具体工作过程为：
81.步骤1，系统监测到被测fpga正常工作后，启动写信号和地址设置内置高精度模拟
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数字转换器xadc的控制寄存器config reg#0、config reg#1、config reg#2，设置通道、采样时钟频率、连续自动采样准禁、电平参考、平均采样、校准、阈值警告；
82.步骤2，周期性读xadc的状态寄存器的值，内核温度量对应地址为00h。原始数据为12位串行信号，系统转换为并行数据后反馈到产品状态信息的数据帧中。
83.本发明监测系统的设计包括产品工作模式、数据速率、芯片内核温度、输出功率等，反映为遥测量组成数据帧下传；监测系统设计子系统分担部分逻辑资源需求，使承担主功能的监测fpga可专注于高速数据处理；监测系统同时解决了sram型fpga在启动时的配置信息的写入问题。
84.以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。