講真，這是太陽系中「最快」的FPGA

2020-09-22 老石談芯

8年前，NASA和約翰霍普金斯大學聯合立項，投入15億美元打造一款繞日探測衛星。2018年，這款名為「帕克號」的太陽探測器發射升空。帕克號上的電子系統和儀器組由多個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太空飛行器。

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是探究和解決太陽風形成的原因，並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製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70萬公裡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東京。

正因如此，帕克太陽探測器成就了另外一個裡程碑 -- 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。

儘管這裡的「最快」並不是指FPGA的運行頻率，而是它們高達70萬公裡/小時的巡航速度，但是這些基於0.15μm工藝製造的FPGA有著很多獨特的亮點。

在複雜的宇航空間環境下，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的改變，如從「0」變成「1」，或從「1」變成「0」，這種現象叫做單粒子翻轉（Single-Event Upsets, SEU）。這些微小的數位改變對於數字系統的影響往往是致命的。因此，在帕克號的FPGA中集成了抗SEU、外加三重冗餘保護（Triple Module Redundancy - TMR）的寄存器，使SEU發生的概率降到了十的負十次方。

FPGA上還有專門的邏輯發現和修正SRAM上發生的位翻轉。即使SRAM自帶的錯誤檢測和校正電路發生故障，這些SEU也能被發現並修正。

此外，RTAX4000 FPGA採用了金屬對金屬的反熔絲結構互聯，因此即使受到宇宙離子衝擊也不會改變FPGA的邏輯結構。

帕克號基於FPGA的DSP與控制系統

帕克號配備了五種科學儀器，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。

探測器的電子系統包含兩個Microsemi公司的抗輻射宇航級RTAX4000 FPGA晶片，見下圖紫紅色部分。

其中，一個FPGA位於FIELDS儀器組內，如下圖所示。它主要負責將26路傳感器的輸入信號以150 kSa/s的採樣速率進行數位訊號處理，以產生光譜和跨譜矩陣，以及對應的時間序列數據。

另外一個FPGA位於探測器的數據控制電路板（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負責控制FIELDS與太空飛行器的連接和通信，即接收並解碼來自太空飛行器的指令，並將其傳送到儀器組的各個子系統中。

這個FPGA包含了一個複雜的外接存儲系統，包含了32kB 抗輻射PROM，2MB SRAM，512KB EEPROM和32GB快閃記憶體。其中，PROM中保存著FIELDS儀器組的啟動軟體，EEPROM中保存著儀器組的操作軟體、機載腳本，以及其他儀表的參數。在儀器啟動過程中，EEPROM中的數據會被傳輸到SRAM中運行。

此外，FPGA還集成了一個32位的嵌入式CPU。這個CPU使用了ColdFire架構，它是上世紀70年代末摩託羅拉半導體68000處理器的升級版，可以稱得上是微處理器裡的活化石和上古神跡了。

在這個FPGA中，還實現了FIELDS儀器組的模擬信號管理、儀器控制、太空飛行器接口、大容量內存控制器，以及RF頻譜儀。FPGA控制DCB系統與太空飛行器交換電磁場信息與飛行狀態，並通過太空飛行器的消息系統跟蹤任務運行時間。

結語

帕克太陽探測器的第二個近日點預計將在今年4月。在7年的任務中，飛船將經歷24個近日點，而最後的三個近日點將把宇宙飛船帶到離太陽表面僅380萬英裡的地方，使得帕克號面向太陽一側的隔熱罩外的溫度達到1370攝氏度。在這個大膽而令人興奮的旅程中，FPGA的表現十分值得期待。

由於FPGA兼顧了性能和功耗，同時有高容錯、強抗幹擾的能力，因此被廣泛應用於航空航天領域。希望伴隨著FPGA技術的發展，人類會在探索宇宙的道路上加速前行。

（文中圖片均來自於NASA-Hopkins APL）

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