即使沒有可怕的外星生物，太空對于人類來說也是最惡劣的環境之一。壓力，或失壓，高溫，或低溫，高能粒子和輻射，對于人類來說都是挑戰。太空也是電子系統設計的的最惡劣環境之一。太空電子元件需要能夠承受近乎完全的真空并工作在極端溫度下。電源在外空探索項目中也相當寶貴——沒有那么長的延長線——因此低功耗操作通常也是必需的。而且，高能粒子可以“翻轉”存儲在SRAM中用于放置MCU代碼或用于FPGA配置邏輯的數據的邏輯狀態，從而會導致系統失效，或許是錯誤地導致螺栓爆炸，或者手臂移動過快導致機器人損壞。總之，不管是對于人類還是電子系統，太空都不是一個友好的環境。

圖1： 不管是對于人類還是電子系統，太空都是一個惡劣的環境。（貿澤電子）

惡劣環境下的電子系統設計

乍一看，在如此惡劣的環境下似乎不太可能設計出數十億次都能正確操作的電子系統。例如，如果遭受單粒子翻轉（SEU）攻擊，會改變MCU和FPGA的某個SRAM單元的狀態，你該如何處理？幸運的是，事實證明，這些類型的攻擊并不常發生，電路大部分時間下都能正確執行。然而，也有一些技術需要設計師認真考慮，以緩解SEU引發故障可能導致的災難性后果。

緩解基于SRAM的SEU攻擊

一個簡單的方法是減少設備中脆弱元件的使用。例如，如果MCU使用高速緩沖存儲器，最好還是繞開它。高速緩存通常設計為最大速度和最小尺寸，這意味著它們無法容納大電荷。設計工程師還可以減少應用中的SRAM。寄存器、累加器和外圍緩沖存儲器有時也會采用鎖存器，具備更好的SEU抗攻擊能力。了解設備中的易損元件往往可以會采購抗SEU攻擊顯著改善的設計。

然而，設計師的確需要在設計中使用一些SRAM，所以出現了一些技術，可以確定存儲器是否已遭受SEU攻擊。一些MCU支持SRAM奇偶檢測，可以來確定單比特錯誤。SRAM中更好用的是內置錯誤檢測和校正功能。通過增加幾個比特位，可以糾正單比特錯誤或檢測雙位錯誤。提高可靠性要增加SRAM，這似乎有悖常理，但事實證明，糾錯碼的使用帶來了可靠性的顯著改善，并且不會明顯影響內存訪問時間。

緩解SRAM中SEU攻擊的另一種方法是使用基于塊的編碼，這種方法也常用于嘈雜通信環境，此時需要較少的附加位但卻會增加顯著的計算時間。如果某些應用有閑暇周期和充裕的功耗余量，設計工程師可以加入“凈化”操作，即周期性掃描SRAM以檢測是否某些位已被翻轉。但這種方法不適用“實時多位錯誤檢測和校正”，但如果數據不經常訪問（也許只是緩存之間的傳輸）以及不需要“實時”訪問，這種方法可以顯著增加可靠性。

緩解基于FPGA的SEU攻擊

在MCU中，設計工程師可以盡量少用SRAM以及利用誤差校正和檢測技術來緩解基于SRAM的SEU攻擊。在基于SRAM的FPGA中，SRAM單元分布在FPGA結構中以配置邏輯和布線資源。這導致它很難不使用SRAM并且增加錯誤校正和檢測電路的成本很高。基于SRAM的FPGA提供一些支持配置SRAM“凈化”操作的功能，通過周期性地將它與外部非易失性的配置存儲比較并顯示任何變化。然而，這需要消耗大量的時間、帶寬和功耗，所以不可能應用于大量應用中。

另一種方法使用不利用SRAM配置存儲器的FPGA。例如Microsemi的SmartFusion2 SoC FPGA，使用分布在FPGA結構的flash來配置邏輯與布線。flash存儲器不易受到α或中子輻射引起的SEU故障，這使得關注SEU效應的環境中基于flash的FPGA可靠性有顯著提升。

圖2： Microsemi 的SmartFusion2是基于Flash的FPGA，不容易受到α/中子故障影響，而基于SRAM的FPGA卻容易受到影響。（來源： Microsemi）

SmartFusion2 SoC FPGA中也存在大塊的SRAM，用于數據存儲或者是復雜外設處理的較大FIFO，此時這些SRAM中也使用錯誤檢測和校正技術以緩解關鍵存儲塊的SEU效應。簡單外設的小存儲單元使用鎖存器來代替SRAM，使它們不易受到SEU攻擊的影響。片外DDR內存控制器還支持單糾錯和雙錯誤檢測，緩解了大型外部存儲器的SEU效應影響。

惡劣環境下的系統互連

在MCU或基于FPGA的設計面向惡劣環境優化后，它還需要連接到其它子系統。不止溫度、壓力和輻射是互連系統需要考慮的因素，振動和電磁噪聲也非常重要。這將需要特殊的加固型連接器，并且同時可用于傳遞信號和電源。Phoenix Contact公司的Heavycon EVO-D系列由一種特殊的聚酰胺塑料材料構成，在高振動環境中提供高可靠性。

圖3： Amphenol的10G以太網光纖銅連接器和媒體轉換器。（來源： 安費諾）

惡劣環境下的機電接口

在某些時候，系統需要控制伺服系統或者電機。用于確定位置的傳感器也許是機電控制回路中最重要的組成部分，因此惡劣環境下可靠性高非常關鍵。設計工程師可能無法使用依靠機械觸點的位置傳感器，因為它們可能會產生火花或者會過度磨損從而降低傳感器壽命。霍爾效應傳感器是一種非接觸式技術，利用磁效應來確定旋轉位置。例如， Vishay 34伺服霍爾傳感器具備5千萬的周期壽命并且其線性度為0.5%。常用的SPI輸出接口使它易于連接MCU或FPGA。

圖4： 用于非接觸式機電傳感的Vishay霍爾效應傳感器。

結論

太空對于人類或電子系統都是一個惡劣的生存環境。在設計面向太空或者大氣的系統時，由于高能粒子的存在，緩解SEU效應的影響非常關鍵，這可以通過選擇太空元件和使用冗余技術來實現。極端的溫度、壓力、振動和電磁輻射，也預示著惡劣環境的存在，無論是在太空還是在地球上（或地下）。電子元件和互連系統在設計時需要能夠忍耐這些惡劣環境，這在避免電子系統失效時非常關鍵。你肯定不想被叫去維修它們。