帕克太阳探测器上的FPGA被广泛应用于航空航天领域

8年前，NASA和约翰霍普金斯大学联合立项，投入15亿美元打造一款绕日探测卫星。2018年，这款名为“帕克号”的太阳探测器发射升空。帕克号上的电子系统和仪器组由多个FPGA共同控制，帮助帕克号成为有史以来最接近太阳和速度最快的人造航天器。

帕克太阳探测器上的宇航级FPGA

帕克太阳探测器的主要目标是探究和解决太阳风形成的原因，并研究加速各种高能太阳粒子的神秘力量。帕克太阳探测器是目前人类制造的移动速度最快的物体，在最大轨道速度下，它将以接近每小时70万公里的速度穿越太阳的日冕层。如果在地球上以这个速度航行，不到一分钟就能从华盛顿到达东京。

正因如此，帕克太阳探测器成就了另外一个里程碑 -- 太阳系中速度最快的FPGA：来自MicroSemi公司的抗辐射宇航级RTAX4000系列FPGA。

尽管这里的“最快”并不是指FPGA的运行频率，而是它们高达70万公里/小时的巡航速度，但是这些基于0.15μm工艺制造的FPGA有着很多独特的亮点。

在复杂的宇航空间环境下，存在着大量的高能带电粒子，它们会造成集成电路中的电子元件的电位状态的改变，如从“0”变成“1”，或从“1”变成“0”，这种现象叫做单粒子翻转（Single-Event Upsets， SEU）。这些微小的数位改变对于数字系统的影响往往是致命的。因此，在帕克号的FPGA中集成了抗SEU、外加三重冗余保护（Triple Module Redundancy - TMR）的寄存器，使SEU发生的概率降到了十的负十次方。

FPGA上还有专门的逻辑发现和修正SRAM上发生的位翻转。即使SRAM自带的错误检测和校正电路发生故障，这些SEU也能被发现并修正。

此外，RTAX4000 FPGA采用了金属对金属的反熔丝结构互联，因此即使受到宇宙离子冲击也不会改变FPGA的逻辑结构。

帕克号基于FPGA的DSP与控制系统

帕克号配备了五种科学仪器，合称为“FIELDS”仪器组。它包含了多种传感器和测试仪表，主要用来测量电场和磁场、等离子体波谱和极化特性、电子密度和温度分布以及太阳射电辐射等，如下图所示。

探测器的电子系统包含两个Microsemi公司的抗辐射宇航级RTAX4000 FPGA芯片，见下图紫红色部分。

其中，一个FPGA位于FIELDS仪器组内，如下图所示。它主要负责将26路传感器的输入信号以150 kSa/s的采样速率进行数字信号处理，以产生光谱和跨谱矩阵，以及对应的时间序列数据。

另外一个FPGA位于探测器的数据控制电路板（DCB）上，用来作为FIELDS仪器组的主要控制器，如下图所示。同时，这个FPGA负责控制FIELDS与航天器的连接和通信，即接收并解码来自航天器的指令，并将其传送到仪器组的各个子系统中。

这个FPGA包含了一个复杂的外接存储系统，包含了32kB 抗辐射PROM，2MB SRAM，512KB EEPROM和32GB闪存。其中，PROM中保存着FIELDS仪器组的启动软件，EEPROM中保存着仪器组的操作软件、机载脚本，以及其他仪表的参数。在仪器启动过程中，EEPROM中的数据会被传输到SRAM中运行。

此外，FPGA还集成了一个32位的嵌入式CPU。这个CPU使用了ColdFire架构，它是上世纪70年代末摩托罗拉半导体68000处理器的升级版，可以称得上是微处理器里的活化石和上古神迹了。

在这个FPGA中，还实现了FIELDS仪器组的模拟信号管理、仪器控制、航天器接口、大容量内存控制器，以及RF频谱仪。FPGA控制DCB系统与航天器交换电磁场信息与飞行状态，并通过航天器的消息系统跟踪任务运行时间。

结语

帕克太阳探测器的第二个近日点预计将在今年4月。在7年的任务中，飞船将经历24个近日点，而最后的三个近日点将把宇宙飞船带到离太阳表面仅380万英里的地方，使得帕克号面向太阳一侧的隔热罩外的温度达到1370摄氏度。在这个大胆而令人兴奋的旅程中，FPGA的表现十分值得期待。

由于FPGA兼顾了性能和功耗，同时有高容错、强抗干扰的能力，因此被广泛应用于航空航天领域。希望伴随着FPGA技术的发展，人类会在探索宇宙的道路上加速前行。