文/游华春 王晓伟

1 概述

中子单粒子效应是指单个高能粒子作用于半导体器件引发的翻转、锁定、烧毁、栅穿等现象。以往研究认为中子单粒子效应主要发生在航天领域，但国外近年来的研究表明，飞机在3～20km的自然空间环境中同样会遭遇中子单粒子效应。只不过航天领域诱发单粒子效应的高能粒子辐射源主要为重离子或质子，而在航空领域诱发单粒子效应的高能粒子辐射源主要为大气中子。

大气中子穿透性强，金属材料几乎没有阻挡作用，因此会穿透机舱蒙皮，打在航空电子设备上，尤其是核心指令控制单元或关键数据存储单元上，产生大气中子单粒子效应。从而引发软错误、硬错误甚至硬失效，导致飞行控制系统、航电系统等出现黑屏、死机、复位、数据丢失、命令错误等故障现象。有的会直接影响飞机的安全性与可靠性，有的会误导飞机驾驶员产生错误判断与错误操作，从而间接影响飞机的安全性与可靠性。

本文以航空应用领域的机载应答机为例，研究中子单粒子对机载应答机的影响。

2 应答机简介

图1：S模式应答机功能板之间的接口关系图

图2：A模式输出信号

图4：S模式输出信号

2.1 应答机功能

应答机主要是安装在飞机上的机载设备，能够自动应答本飞机的高度信息，代码信息。应答机信号处理模块实现的主要功能是实现译码、编码功能。把应答机接收到的外部信号，经过内部接收模块解调后，进行数据处理，从而分辨出是代码（A）模式、高度（C）模式、或者是S模式。并将本应答机的代码（A）信息、高度（C）信息、或者S模式地址码传送给本应答机的发射机模块进行射频发射。

应答机处理模块在整个应答机中与其它功能模块的接口关系如图1所示。

2.2 应答模式

2.2.1 代码（A）模式

模式A的回答码包括从0到最多12个信息脉冲，A模式输出信号如图2所示。

2.2.2 代码（C）模式

模式C的回答码包括从0到最多11个信息脉冲。C模式输出信号如图3所示。

2.2.3 S模式

S模式输出格式如图4所示。

3 试验

3.1 辐射源

试验采用的是中国原子能科学研究院中的14MeV中子加速器产生的快中子。

3.2 粒子束流

（1）离子束不均匀性：≤±10%；

（2）注量：使被试器件接受的中子注量达到109(n/cm2)或达到100个错误；

（3）中子注量率在103-5n/cm2-s范围内可调。

3.3 环境温度

辐照间内环境温度为25±3℃。

3.4 屏蔽条件

辐照源与试验件之间使用4mm铝板进行屏蔽。

3.5 工作状态

试验件在辐射过程中执行正常的功能操作，即功能单机板级试验期间运行规定的飞行程序，同时监测输出状态。

3.6 试验装置

试验系统主要由14MeV中子加速器、屏蔽板、应答机信号处理板、电源、系统线缆、调试线缆、429板卡、FPGA仿真器及远程监测PC机等组成。

中子单粒子效应试验主要设备布局示意图如图5所示。

（1）把辐照板固定在靶前10cm处；

（2）在靶与辐照板之间竖立一块4mm厚的铝屏蔽板；

（3）辐照板分别与429板卡、FPGA仿真器相连接；

（4）仿真器采取垒铅砖室的方法进行屏蔽；

（5）布线，MPU仿真器、FPGA仿真器通过长线连接至测试间，辐照板电源线需连接至测试间。

3.7 试验检测

在中子辐照期间，应答机处理板上运行的实际飞行程序，在线实时监测单机板的输出，监测出现的功能故障，如程序跑飞、无输出、自动复位等故障现象，记录故障现象及其次数。

4 故障现象

航空电子设备故障类型定义如下：

第I类故障为硬失效，其特征为断电重启不能恢复正常功能，需要维修。

第2类故障为硬错误，其特征为断电重启才能恢复正常功能。

第3类故障为软错误，其特征为软复位可恢复正常功能。

在该次中子单粒子试验中，应答机处理板出现了第3类故障。模式编码输出的信号发生了变化。图6为A/C模式试验前数据格式，图7为A/C模式试验后数据格式，图8为S模式试验前数据格式，图9为S模式试验后数据格式。对比图6和图7、图8和图9所示，A/C模式输出无变化，S模式数据输出发生变化，导致报出错误的S模式地址。

如图9所示，S模式编码中的脉冲一直缺失，从原理来讲，S模式数据链是从CPU寄存器中向FPGA进行加载、编码。 数据时时更新，若FPGA中S模式数据链的寄存器中的数据发生了翻转，则只能出现一次翻转，下一次就会被覆盖。覆盖后，FPGA按照正常的数据进行编码；S模式编码中的脉冲一直缺失，说明FPGA是按照同一个数据进行的编码，即CPU中装载S模式数据链的寄存器中的数据发生了翻转。说明中子单粒子确实会造成应答机一定程度的功能失效。

5 结论

应答机处理板在中子单粒子试验中为第3类故障为软错误，其特征为软复位可恢复正常功能。且针对该S模式问题，软件本身后期进行了CRC校验。CRC校验能力为12位，即能纠正12位错误码值。若码值错误过多，在处理的时候，软件将弃用这一串数据链。就中子单粒子试验而造成的数据位发生变化，在解码的过程中，CRC校验能够恢复正确的码值。若大面积的数据错误，软件将丢弃对这串数据的处理。所以，即使打中，不会出现功能性错误。

本文论述应答机参与中子单粒子试验的详细过程，及出现的试验现象。但由于中子单粒子的不确定性，下次可能击中处理板元器件不同的位置，出现不可复现的现象。

图5：中子单粒子效应试验主要设备布局示意图

图6：A/C模式试验前数据格式

图7：A/C模式试验后数据格式

图8：S模式试验前数据格式

图9：S模式试验后数据格式

6 结束语

随着集成电路规模逐渐增大，器件大小越来越小，中子单粒子对航电设备的影响，问题会成为一个边缘问题逐渐被大家所认识，成为一个主要的问题，我们更应该在设计环节中提高认识，并采取一定的措施，需要开展中子单粒子影响评估，找出防护的薄弱环节，提高航电设备的可靠性和安全性。