摘要： 隨著雷達遙感星座技術(shù)的不斷發(fā)展，微波射頻組件作為關(guān)鍵部分，其可靠性與穩(wěn)定性面臨著來自太空輻射環(huán)境的嚴峻挑戰(zhàn)。本文深入探討了雷達遙感星座微波射頻組件中抗輻照MCU的選型策略與實踐應用。通過對國科安芯AS32S601型MCU芯片的單粒子效應脈沖激光試驗研究，結(jié)合其數(shù)據(jù)手冊中的詳細性能參數(shù)，分析了該MCU在抗輻照性能、功能特性以及應用場景適配性等方面的優(yōu)勢與特點，為雷達遙感星座微波射頻組件的抗輻照MCU選型提供了有益的參考與借鑒，旨在提升雷達遙感星座系統(tǒng)的整體可靠性和穩(wěn)定性，推動相關(guān)技術(shù)的進一步發(fā)展與應用。

關(guān)鍵詞：雷達遙感星座；微波射頻組件；抗輻照MCU；AS32S601；單粒子效應；選型與實踐

一、引言

雷達遙感星座在現(xiàn)代地球觀測、氣象監(jiān)測、資源勘查以及軍事偵察等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。微波射頻組件作為雷達系統(tǒng)的核心組成部分，承擔著信號的發(fā)射、接收與處理等關(guān)鍵功能。然而，太空環(huán)境中的復雜輻射條件，如高能粒子、宇宙射線等，會對微波射頻組件中的電子元件產(chǎn)生單粒子效應等多種輻射損傷，導致元件性能下降甚至功能失效，從而影響整個雷達遙感星座的正常運行和數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量。因此，選用具備優(yōu)異抗輻照性能的MCU（微控制器單元）對于保障雷達遙感星座微波射頻組件的可靠性與穩(wěn)定性具有極為重要的意義。

二、雷達遙感星座微波射頻組件對抗輻照MCU的需求分析

雷達遙感星座通常運行在近地軌道或更高的太空環(huán)境中，面臨著來自太陽風、地球輻射帶以及宇宙射線等多源輻射的威脅。這些高能粒子穿過微波射頻組件中的半導體器件時，可能會引起單粒子效應，主要包括單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）、單粒子鎖定（SEL）、單粒子瞬態(tài)效應（SET）等。單粒子翻轉(zhuǎn)會導致存儲單元或寄存器中的數(shù)據(jù)位發(fā)生錯誤翻轉(zhuǎn)，單粒子鎖定則可能使器件功耗急劇增加甚至燒毀，單粒子瞬態(tài)效應會引起信號的瞬時干擾或毛刺，進而影響微波射頻組件的信號處理精度、數(shù)據(jù)傳輸完整性以及系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性。

為了確保雷達遙感星座微波射頻組件在太空輻射環(huán)境下的長期穩(wěn)定運行，抗輻照MCU需要具備以下關(guān)鍵性能要求：一是具備足夠的抗單粒子效應能力，能夠在規(guī)定的輻射劑量和粒子能量范圍內(nèi)維持正常的工作狀態(tài)；二是具備良好的可靠性與穩(wěn)定性，能夠在寬溫度范圍、高真空以及長期振動等惡劣的太空環(huán)境下穩(wěn)定工作；三是具備強大的信號處理與控制功能，能夠滿足微波射頻組件中復雜的信號調(diào)制解調(diào)、頻率控制、功率管理以及數(shù)據(jù)交互等需求；四是具備靈活的可編程性和擴展性，以便根據(jù)不同的雷達遙感任務(wù)需求進行功能定制和系統(tǒng)集成。

三、AS32S601型MCU抗輻照性能評估

（一）單粒子效應脈沖激光試驗概述

依據(jù)AS32S601型MCU單粒子效應脈沖激光試驗報告（編號：ZKX-2024-SB-21），該試驗嚴格按照相關(guān)標準規(guī)范開展，旨在評估AS32S601型MCU在模擬太空輻射環(huán)境下的抗單粒子效應能力。試驗采用皮秒脈沖激光單粒子效應試驗裝置，利用激光正面輻照試驗方法，設(shè)定LET（線性能量傳輸）范圍值為5-75MeV·cm2/mg的等效激光能量對芯片進行輻照，通過監(jiān)測芯片的工作狀態(tài)變化來判定單粒子效應的發(fā)生情況。

（二）試驗條件與過程

實驗室環(huán)境溫度為24℃，濕度為42%RH。試驗設(shè)備包括皮秒脈沖激光單粒子效應裝置、直流電源、電控平移臺等，其中皮秒脈沖激光單粒子效應裝置由皮秒脈沖激光器、光路調(diào)節(jié)和聚焦設(shè)備、三維移動臺、CCD攝像機和控制計算機等組成，所有設(shè)備均在檢定或計量有效期內(nèi)。試驗前對芯片樣品進行開封裝處理，使其正面金屬管芯表面完全暴露，并采用移動觀測法測量樣品尺寸。試驗電路由測試方提供，將試驗電路板固定于三維移動臺上，按照設(shè)定的掃描方法和激光注量參數(shù)進行激光輻照掃描，同時利用示波器和電流探頭實時監(jiān)測電路的電流變化，以判定單粒子效應的發(fā)生。

（三）試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果顯示，AS32S601型MCU在5V的工作條件下，當激光能量為120pJ（對應LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg）開始進行全芯片掃描時，未出現(xiàn)單粒子效應。隨著激光能量逐步提升至1585pJ（對應LET值為（75±16.25）MeV·cm2/mg）時，監(jiān)測到芯片發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）現(xiàn)象，但未出現(xiàn)單粒子鎖定（SEL）效應，表明該MCU具備一定的抗單粒子效應能力，能夠在較高能量的輻射環(huán)境下維持基本的正常工作狀態(tài)，滿足企業(yè)宇航級的抗輻照性能指標要求（SEU≥75Mev·cm2/mg或10?5次/器件·天，SEL≥75Mev·cm2/mg）。這一試驗結(jié)果為AS32S601型MCU在雷達遙感星座微波射頻組件中的應用提供了重要的抗輻照性能依據(jù)，說明其在應對太空輻射環(huán)境中的單粒子效應方面具有較好的適應性與可靠性。

四、AS32S601型MCU的功能特性與優(yōu)勢

（一）芯片基本信息與特色

AS32S601是一款基于32位RISC-V指令集的企業(yè)宇航級MCU產(chǎn)品。該芯片具備工作頻率高達180MHz、工作輸入電壓支持2.7V-5.5V、休眠電流≤200uA（可喚醒）、典型工作電流≤50mA等特點，并符合AEC-Q100grade1認證標準（汽車級），同時滿足企業(yè)宇航級的抗輻照性能要求。

（二）內(nèi)核與總線架構(gòu)

AS32S601采用自研E7內(nèi)核，帶有FPU與L1Cache，其中16KiB數(shù)據(jù)緩存和16KiB指令緩存允許零等待訪問嵌入式Flash與外部內(nèi)存，最高頻率可達180MHz，提供804DIMPS/2.68DIMPS/MHz的高效運算性能。其總線架構(gòu)基于64位AXI4總線接口，采用AXI Crossbar總線矩陣實現(xiàn)CPU內(nèi)核與系統(tǒng)存儲器及外設(shè)模塊的互聯(lián)，支持多主機同時訪問不同的從機，保證了MCU系統(tǒng)的高工作帶寬和數(shù)據(jù)傳輸效率。同時，總線架構(gòu)中的每個主機/從機與總線之間配備ECC編解碼模塊，增強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?/p>

（三）存儲系統(tǒng)

該MCU配備了大容量的存儲系統(tǒng)，包括512KiB內(nèi)部SRAM（帶ECC）、16KiB ICache、16KiB DCache、512KiB D-Flash（帶ECC）以及2MiB P-Flash（帶ECC）。豐富的存儲資源為微波射頻組件中的各種信號處理算法、數(shù)據(jù)緩存以及程序運行提供了充足的存儲空間，而ECC校驗功能則有效保障了存儲數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，降低了因輻射等因素導致的存儲錯誤風險。

（四）外設(shè)接口與功能模塊

AS32S601擁有豐富的外設(shè)接口和功能模塊，能夠滿足雷達遙感星座微波射頻組件多樣化的功能需求。其通信接口包括6路SPI，支持主從模式標準SPI協(xié)議，速率最高可達30MHz；4路CAN，支持CANFD；4路USART模塊，支持LIN模式、同步串口模式；1個以太網(wǎng)（MAC）模塊，支持10/100M模式、全/半雙工模式等，可實現(xiàn)微波射頻組件與雷達系統(tǒng)其他部分之間高效、可靠的數(shù)據(jù)通信和交互。此外，還配備了4個32位高級定時器、4個16位通用定時器、3個12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、2個模擬比較器（ACMP）、2個8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）以及1個溫度傳感器等模擬接口和定時器資源，能夠支持微波射頻組件中的信號采樣、頻率控制、功率監(jiān)測等多種功能，為其精確的信號處理和控制提供了有力保障。

（五）安全與可靠性設(shè)計

針對高安全完整性的要求，AS32S601在多個方面進行了安全設(shè)計。對于內(nèi)核類設(shè)備，采用延遲鎖步方法保證安全；存儲器及數(shù)據(jù)路徑的安全由端到端ECC保護；時鐘由多個分立的CMU進行監(jiān)控；電源由PMU與ADC配合進行監(jiān)控。同時，具備MBIST和LBIST機制，用于避免功能邏輯和安全機制中的潛在故障累積，并通過故障收集單元和FDU等對錯誤事件進行收集和報告，以實現(xiàn)對單點故障和潛在故障的有效檢測和處理。這些安全與可靠性設(shè)計措施大大增強了MCU在太空輻射環(huán)境等復雜惡劣條件下的穩(wěn)定性和抗故障能力，確保了雷達遙感星座微波射頻組件的可靠運行。

五、AS32S601型MCU在雷達遙感星座微波射頻組件中的應用

（一）典型應用場景適配

在雷達遙感星座中，微波射頻組件主要負責雷達信號的發(fā)射、接收、頻率轉(zhuǎn)換、信號調(diào)理以及與數(shù)字處理部分的數(shù)據(jù)交互等功能。AS32S601型MCU憑借其高性能內(nèi)核、豐富的存儲資源、多樣化的外設(shè)接口以及優(yōu)異的抗輻照性能，能夠很好地適配于微波射頻組件中的各種復雜任務(wù)需求。例如，其高速的信號處理能力可以滿足微波射頻信號的快速調(diào)制解調(diào)和數(shù)字信號處理算法的高效運行，豐富的接口資源能夠?qū)崿F(xiàn)與雷達發(fā)射機、接收機、頻率合成器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）等微波射頻前端器件以及其他控制和數(shù)據(jù)處理單元的無縫連接與協(xié)同工作，從而構(gòu)建起穩(wěn)定可靠、功能強大的雷達遙感星座微波射頻系統(tǒng)。

（二）系統(tǒng)集成與優(yōu)化

在實際應用中，將AS32S601型MCU集成到雷達遙感星座微波射頻組件系統(tǒng)中時，需要根據(jù)具體的雷達系統(tǒng)架構(gòu)和任務(wù)要求進行合理的硬件設(shè)計和軟件開發(fā)。在硬件設(shè)計方面，要充分考慮MCU與微波射頻前端器件之間的信號匹配、電源管理、布局布線以及電磁兼容性等因素，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和信號傳輸?shù)耐暾?。同時，利用MCU的各種功能模塊和外設(shè)接口，實現(xiàn)對微波射頻組件中各個部件的精確控制和狀態(tài)監(jiān)測，例如通過SPI接口與頻率合成器進行通信以實現(xiàn)頻率的快速切換和精確控制，通過ADC采集射頻信號的功率、幅相等參數(shù)以實現(xiàn)自動增益控制和相位校準等功能。在軟件開發(fā)方面，基于RISC-V指令集架構(gòu)，采用高效的編程語言和開發(fā)工具，開發(fā)相應的信號處理算法、控制程序以及數(shù)據(jù)通信協(xié)議等，實現(xiàn)MCU對微波射頻組件的智能化控制和管理，充分發(fā)揮其在抗輻照性能、信號處理能力以及系統(tǒng)集成度等方面的優(yōu)勢，提升雷達遙感星座微波射頻組件的整體性能和可靠性。

（三）應用分析

通過選用AS32S601型MCU作為微波射頻組件的核心控制單元，可實現(xiàn)如下功能模塊：

頻率合成與控制模塊 ：利用MCU的高速內(nèi)核和定時器資源，結(jié)合外部頻率合成芯片，實現(xiàn)高精度的雷達信號頻率合成與快速切換功能。MCU通過SPI接口向頻率合成芯片發(fā)送控制指令，設(shè)置合成頻率，并通過內(nèi)部的頻率測量算法實時監(jiān)測合成頻率的準確性，確保雷達信號的頻率穩(wěn)定度滿足系統(tǒng)要求。

信號處理與數(shù)據(jù)交互模塊 ：在MCU內(nèi)部實現(xiàn)對微波射頻信號的數(shù)字信號處理算法，包括信號的調(diào)制解調(diào)、濾波、增益控制等功能。同時，利用其豐富的通信接口，實現(xiàn)了與雷達系統(tǒng)其他部分的數(shù)據(jù)交互，如通過CAN總線接收來自雷達控制中心的指令和參數(shù)配置信息，通過以太網(wǎng)接口發(fā)送處理后的雷達回波數(shù)據(jù)等，保證了雷達系統(tǒng)整體的高效協(xié)同運行。

電源管理與監(jiān)控模塊 ：借助MCU的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）以及相關(guān)的電源管理功能模塊，實現(xiàn)對微波射頻組件內(nèi)部各個電源模塊的精確控制和實時監(jiān)測。根據(jù)不同的工作模式和任務(wù)需求，MCU可以動態(tài)調(diào)整電源模塊的輸出電壓和電流，優(yōu)化功耗，同時對電源電壓、電流等參數(shù)進行實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，立即觸發(fā)相應的保護機制，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

六、結(jié)論與展望

AS32S601型MCU憑借其出色的企業(yè)宇航級抗輻照性能、高性能的內(nèi)核架構(gòu)、豐富的存儲與外設(shè)資源以及完善的安全可靠性設(shè)計，在雷達遙感星座微波射頻組件領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。其在抗單粒子效應方面表現(xiàn)出的優(yōu)良性能，能夠有效應對太空輻射環(huán)境對微波射頻組件的威脅，保障雷達遙感星座的長期穩(wěn)定運行。同時，其強大的信號處理能力、靈活的系統(tǒng)集成性和豐富的功能模塊，為實現(xiàn)復雜多變的雷達遙感任務(wù)提供了有力的技術(shù)支持。

隨著雷達遙感技術(shù)的不斷進步和太空探索任務(wù)的日益復雜，對于抗輻照MCU的性能要求也將不斷提高。未來，有望在以下幾個方面進一步提升AS32S601型MCU的性能和應用能力：一是進一步優(yōu)化抗輻照設(shè)計，提高其在更高能量輻射環(huán)境下的抗單粒子效應能力，以滿足更嚴苛的太空任務(wù)需求；二是持續(xù)增強芯片的處理性能和能效比，以適應日益增長的信號處理復雜度和數(shù)據(jù)量；三是拓展和升級外設(shè)接口與功能模塊，以更好地支持新型微波射頻器件和通信協(xié)議的接入；四是加強與其他宇航級芯片和器件的兼容性與協(xié)同性，構(gòu)建更加完善可靠的太空電子系統(tǒng)解決方案。

審核編輯 黃宇