在惡劣環(huán)境中電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計方案

即使沒有可怕的外星生物，太空對于人類來說也是最惡劣的環(huán)境之一。壓力，或失壓，高溫，或低溫，高能粒子和輻射，對于人類來說都是挑戰(zhàn)。太空也是電子系統(tǒng)設(shè)計的的最惡劣環(huán)境之一。太空電子元件需要能夠承受近乎完全的真空并工作在極端溫度下。電源在外空探索項目中也相當(dāng)寶貴——沒有那么長的延長線——因此低功耗操作通常也是必需的。而且，高能粒子可以“翻轉(zhuǎn)”存儲在SRAM中用于放置MCU代碼或用于FPGA配置邏輯的數(shù)據(jù)的邏輯狀態(tài)，從而會導(dǎo)致系統(tǒng)失效，或許是錯誤地導(dǎo)致螺栓爆炸，或者手臂移動過快導(dǎo)致機器人損壞?？傊?，不管是對于人類還是電子系統(tǒng)，太空都不是一個友好的環(huán)境。

圖1： 不管是對于人類還是電子系統(tǒng)，太空都是一個惡劣的環(huán)境。（貿(mào)澤電子）

惡劣環(huán)境下的電子系統(tǒng)設(shè)計

乍一看，在如此惡劣的環(huán)境下似乎不太可能設(shè)計出數(shù)十億次都能正確操作的電子系統(tǒng)。例如，如果遭受單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）攻擊，會改變MCU和FPGA的某個SRAM單元的狀態(tài)，你該如何處理？幸運的是，事實證明，這些類型的攻擊并不常發(fā)生，電路大部分時間下都能正確執(zhí)行。然而，也有一些技術(shù)需要設(shè)計師認(rèn)真考慮，以緩解SEU引發(fā)故障可能導(dǎo)致的災(zāi)難性后果。

緩解基于SRAM的SEU攻擊

一個簡單的方法是減少設(shè)備中脆弱元件的使用。例如，如果MCU使用高速緩沖存儲器，最好還是繞開它。高速緩存通常設(shè)計為最大速度和最小尺寸，這意味著它們無法容納大電荷。設(shè)計工程師還可以減少應(yīng)用中的SRAM。寄存器、累加器和外圍緩沖存儲器有時也會采用鎖存器，具備更好的SEU抗攻擊能力。了解設(shè)備中的易損元件往往可以會采購抗SEU攻擊顯著改善的設(shè)計。

然而，設(shè)計師的確需要在設(shè)計中使用一些SRAM，所以出現(xiàn)了一些技術(shù)，可以確定存儲器是否已遭受SEU攻擊。一些MCU支持SRAM奇偶檢測，可以來確定單比特錯誤。SRAM中更好用的是內(nèi)置錯誤檢測和校正功能。通過增加幾個比特位，可以糾正單比特錯誤或檢測雙位錯誤。提高可靠性要增加SRAM，這似乎有悖常理，但事實證明，糾錯碼的使用帶來了可靠性的顯著改善，并且不會明顯影響內(nèi)存訪問時間。

緩解SRAM中SEU攻擊的另一種方法是使用基于塊的編碼，這種方法也常用于嘈雜通信環(huán)境，此時需要較少的附加位但卻會增加顯著的計算時間。如果某些應(yīng)用有閑暇周期和充裕的功耗余量，設(shè)計工程師可以加入“凈化”操作，即周期性掃描SRAM以檢測是否某些位已被翻轉(zhuǎn)。但這種方法不適用“實時多位錯誤檢測和校正”，但如果數(shù)據(jù)不經(jīng)常訪問（也許只是緩存之間的傳輸）以及不需要“實時”訪問，這種方法可以顯著增加可靠性。

緩解基于FPGA的SEU攻擊

在MCU中，設(shè)計工程師可以盡量少用SRAM以及利用誤差校正和檢測技術(shù)來緩解基于SRAM的SEU攻擊。在基于SRAM的FPGA中，SRAM單元分布在FPGA結(jié)構(gòu)中以配置邏輯和布線資源。這導(dǎo)致它很難不使用SRAM并且增加錯誤校正和檢測電路的成本很高。基于SRAM的FPGA提供一些支持配置SRAM“凈化”操作的功能，通過周期性地將它與外部非易失性的配置存儲比較并顯示任何變化。然而，這需要消耗大量的時間、帶寬和功耗，所以不可能應(yīng)用于大量應(yīng)用中。

另一種方法使用不利用SRAM配置存儲器的FPGA。例如Microsemi的SmartFusion2 SoC FPGA，使用分布在FPGA結(jié)構(gòu)的flash來配置邏輯與布線。flash存儲器不易受到α或中子輻射引起的SEU故障，這使得關(guān)注SEU效應(yīng)的環(huán)境中基于flash的FPGA可靠性有顯著提升。

圖2： Microsemi 的SmartFusion2是基于Flash的FPGA，不容易受到α/中子故障影響，而基于SRAM的FPGA卻容易受到影響。（來源： Microsemi）

SmartFusion2 SoC FPGA中也存在大塊的SRAM，用于數(shù)據(jù)存儲或者是復(fù)雜外設(shè)處理的較大FIFO，此時這些SRAM中也使用錯誤檢測和校正技術(shù)以緩解關(guān)鍵存儲塊的SEU效應(yīng)。簡單外設(shè)的小存儲單元使用鎖存器來代替SRAM，使它們不易受到SEU攻擊的影響。片外DDR內(nèi)存控制器還支持單糾錯和雙錯誤檢測，緩解了大型外部存儲器的SEU效應(yīng)影響。

惡劣環(huán)境下的系統(tǒng)互連

在MCU或基于FPGA的設(shè)計面向惡劣環(huán)境優(yōu)化后，它還需要連接到其它子系統(tǒng)。不止溫度、壓力和輻射是互連系統(tǒng)需要考慮的因素，振動和電磁噪聲也非常重要。這將需要特殊的加固型連接器，并且同時可用于傳遞信號和電源。Phoenix Contact公司的Heavycon EVO-D系列由一種特殊的聚酰胺塑料材料構(gòu)成，在高振動環(huán)境中提供高可靠性。

圖3： Amphenol的10G以太網(wǎng)光纖銅連接器和媒體轉(zhuǎn)換器。（來源： 安費諾）

惡劣環(huán)境下的機電接口

在某些時候，系統(tǒng)需要控制伺服系統(tǒng)或者電機。用于確定位置的傳感器也許是機電控制回路中最重要的組成部分，因此惡劣環(huán)境下可靠性高非常關(guān)鍵。設(shè)計工程師可能無法使用依靠機械觸點的位置傳感器，因為它們可能會產(chǎn)生火花或者會過度磨損從而降低傳感器壽命。霍爾效應(yīng)傳感器是一種非接觸式技術(shù)，利用磁效應(yīng)來確定旋轉(zhuǎn)位置。例如， Vishay 34伺服霍爾傳感器具備5千萬的周期壽命并且其線性度為0.5%。常用的SPI輸出接口使它易于連接MCU或FPGA。

圖4： 用于非接觸式機電傳感的Vishay霍爾效應(yīng)傳感器。

結(jié)論

太空對于人類或電子系統(tǒng)都是一個惡劣的生存環(huán)境。在設(shè)計面向太空或者大氣的系統(tǒng)時，由于高能粒子的存在，緩解SEU效應(yīng)的影響非常關(guān)鍵，這可以通過選擇太空元件和使用冗余技術(shù)來實現(xiàn)。極端的溫度、壓力、振動和電磁輻射，也預(yù)示著惡劣環(huán)境的存在，無論是在太空還是在地球上（或地下）。電子元件和互連系統(tǒng)在設(shè)計時需要能夠忍耐這些惡劣環(huán)境，這在避免電子系統(tǒng)失效時非常關(guān)鍵。你肯定不想被叫去維修它們。