0 引言

　　為了對抗激光對于固定軍事目標(biāo)的威脅，激光對抗技術(shù)的研究已經(jīng)成為一個重要課題。高性能激光告警接收機采用面陣探測器，具有高速峰值檢測和實時判斷的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)高速可靠地探測軍用制導(dǎo)武器所發(fā)出的各種波長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，適于用運算速度高、尋址方式靈活、通信機制強大的DSP來實現(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)會導(dǎo)致程序無法正確運行，存儲數(shù)據(jù)的差錯也會對激光信號的判別造成影響。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原理

　　激光告警設(shè)備是能夠?qū)す馔{信號進行識別、截獲、測量并做出實時告警的光電偵察設(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、調(diào)制特性和光信號的脈沖寬度、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器光敏單元成像，并通過FPGA采集信號，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和方向等信息。根據(jù)總體設(shè)計方案，探測實驗系統(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器組成。衍射光柵激光波長和方向探測原理結(jié)構(gòu)簡圖如圖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：程序存儲中數(shù)據(jù)改變，導(dǎo)致計算錯誤，不能正確判斷到來的激光信號的角度和波長信息；程序存儲區(qū)發(fā)生位變化，使各個內(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，在上述故障中出現(xiàn)最多的是單粒子翻轉(zhuǎn)，它不會造成硬件損毀，可以通過采取有效的措施修復(fù)。在防止單粒子效應(yīng)對電子芯片的影響時常用到的容錯措施有定期重配置、周期擦除、三模冗余、EDAC等手段[2]。

　　三模冗余(Triple Modular Redundancy，TMR)方法以實現(xiàn)簡單和效果可靠被廣泛地應(yīng)用于單粒子翻轉(zhuǎn)的容錯處理中。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：外置存儲器分配三個地址空間對程序數(shù)據(jù)燒寫操作，保證某一位地址空間的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤時仍有其他程序正確執(zhí)行[3，4]。

3 系統(tǒng)可靠性設(shè)計

　　DSP在整個系統(tǒng)中主要完成數(shù)據(jù)處理，確定激光的波長、方位角和俯仰角，DSP程序的正確運行對于整個系統(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”電路進行DSP故障的實時檢測，軟件方面采用TMR的程序設(shè)計。

　　3.1 看門狗電路

　　針對可能出現(xiàn)的程序跑飛甚至是死機問題，系統(tǒng)在電路中設(shè)計了專門的硬件“看門狗”進行加固。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)檢測到DSP發(fā)生故障死機時產(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，在間隔1.6 s后看門狗定時器溢出，WDI拉低產(chǎn)生復(fù)位操作。電路還提供了手動復(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。

　　3.2 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

　　處理數(shù)據(jù)前對從FPGA傳輸過來的數(shù)據(jù)進行預(yù)先處理，在DSP程序中對幀頭標(biāo)志、圖像亮點個數(shù)標(biāo)志等影響程序運行流程的標(biāo)志位進行TMR設(shè)計，然后判斷圖像中亮點的個數(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器上，會有正負(fù)一級和零級3個亮點。程序判斷出有3個亮點后，才繼續(xù)運行計算波長方位角和俯仰角。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

　　用高性能、超低功耗、部門架構(gòu)靈活等特點的Flash存儲器CMOS 3.0V引導(dǎo)扇區(qū)閃存AM29LV160作為DSP的外部程序存儲器，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，進而對Flash進行數(shù)據(jù)燒寫，在寫入Flash中存儲時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)類錯誤長期存在。針對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)合定時刷新技術(shù)。在進行完差錯檢驗并得到正確的數(shù)據(jù)以后，每隔一段時間自動執(zhí)行Flash燒寫并進行再次備份的方式，將原來有可能累積的錯誤數(shù)據(jù)不斷擦除，即能確保設(shè)備的運行速度也保證了即使設(shè)備處于長時間的輻射影響中，也不會使錯誤積累。

　　3.4 差錯檢驗及校正

　　備份在Flash中的程序在下載到DSP以后，為了保證能夠正確運行，需要在運行之前進行差錯檢驗和表決，驗證是否有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)的差錯判決單元的方法來實現(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)錯誤則進行校正，確保運行的程序正確無誤[5，6]。

　　引導(dǎo)程序以逐位檢驗的方式進行檢錯，表決時采用三中取二原則，對三個主程序的每一個地址的各位依次進行表決，以確定要運行的主程序數(shù)據(jù)。其原理圖如圖4所示。

　　差錯檢驗及表決過程如下：

　　cmpeq B3,B2,B0//比較寄存器B3和B2，

　　//相等時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自動加一

　　add  1,A1,A1

　　cmplt A1,B5,B0  //A1與B5比較，A1小于B5時

　　//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

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

4 實驗

　　受實驗條件限制無法模擬高能粒子輻射環(huán)境，針對抗單粒子翻轉(zhuǎn)只對DSP上電引導(dǎo)程序差錯屏蔽功能實驗驗證：在一個備份地址中寫入錯誤數(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)。實驗步驟如下：

　　(1)首先在ccs3.3中對引導(dǎo)程序和主程序進行編譯，正確無誤后通過JTAG接口下載燒寫進DSP內(nèi)部RAM中。運行Flash燒寫程序?qū)?shù)據(jù)存至三個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DSP進行重新上電啟動上電自舉程序，DSP將會在二次引導(dǎo)時完成差錯檢驗及校正，之后進行主程序的執(zhí)行。利用DSP仿真通過JTAG接口查看DSP內(nèi)部存儲空間中的數(shù)據(jù)。能夠驗證已將錯誤屏蔽掉。結(jié)果如圖6所示。

5 結(jié)論

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

參考文獻

　　[1] 張記龍，田二明，王志斌.基于正弦透射光柵的激光告警接收機研究[J].紅外與激光工程，2006，35(3)：326-330.

　　[2] 周順燕，吳丹.一種基于Flash型FPGA的高可靠系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機信息，2009，25(8)：134-136.

　　[3] 邢克飛，楊俊，周永彬，等.星載高性能DSP加固設(shè)計方法研究.[J]電子器件，2007，30(1)：206-209.

　　[4] 王大慶，劉曉旭，王宇，等.基于軟件的星載DSP減緩單粒子效應(yīng)措施研究[J].空間電子技術(shù)，2013(1)：40-43.

　　[5] 鄭歡歡，穆占杰.基于C6000系列DSP片外Flash自啟動方法[J].信息化研究，2011，37(5)：34-37.

　　[6] 馮軼，衛(wèi)育新.基于S320C6713及AM29LV800B的上電自舉設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2009，17(2)：82-84.