利用FPGA实现模式可变的卫星数据存储器纠错系统

3 硬件实现

3.1 FPGA的编程与实现

通过对目前广泛使用的FPGA器件的分析和比较，选择使用了具有较高性价比的Xilinx Spartan系列FPGA进行原型试验。该系列产品还具有3.3V电源供应兼容5V I/O、休眠状态、更快的逻辑速度等特点。为避免FPGA本身受单粒子翻转效应影响，在实际的航天任务中，将采用基于熔丝技术的Actel公司的FPGA产品。

本应用具有很强的模块性，笔者采用了标准VHDL语言描述，结构清晰，同时为将来的移植提供了方便。模块的划分基于图2的思想，又同时考虑到VHDL模块的习惯要求以及实践中可综合性和方便性。在具体的VHDL实现过程中，该系统由五种VHDL实体（entity）模块组成：

（1）3bitcomp:TMR的比特逻辑单元，实际比特级的信息备份和纠错判决；
（2）tmr:TMR功能模块，包括16个3bitcomp实体（对应16位总线）；
（3）hamming：汉明码编码/纠错功能模块；
（4）hammeminf：hamming实体的22位内存接口与48位内存数据线之间的转换接口；
（5）eadc：最高层实体，包括以上4种实体和必需的逻辑控制、数据接口等。
它们的关系如图3所示。


   
系统使用了Active-HDL软件进行功能仿真，综合与实现都使用了Xilinx提供的Foundation系列软件。在RTL综合过程中生成的电路图上注意到，使用VHDL描述双向三态门的必须保证所有条件下都指出明确的状态，否则在RTL综合后的逻辑电路不能实现双向三态的功能。

3.2 时序特性

时序特性是内存系统的关键指标，直接决定着内存系统的工作频率和整个OBC系统的运行速度。由于采用了FPGA器件，对该内存系统的时序特性分析必须通过FPGA实现后的时序仿真来加以研究。在FPGA实现过程中，通过约束条件来优化工具软件自动设计生成过程。经过反复优化，在Xilinx XCS30XL上实现后的仿真结果如图4所示。可以看出，TMR模式确实拥有较好的时序特性，延时较短。而功能逻辑最为简单的无纠错模式由于在实际中为了优化其他模块做出了延时上的特殊。

通过上述理论分析、系统设计和硬件实验，可以看到：通过FPGA实现的可变模式卫星数据存储器纠错系统具有功能完善、适应性强、使用灵活方便、硬件电路简单等特点。随着FPGA技术的广泛使用，可以设计出功能更强大、使用更方便的专用系统，以充分满足空间飞行器的特殊要求。