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球探下载安装指南:采用了大量FPGA,即將發射的美國火星漫游車技術揭秘

2020-07-22 19:53:09 來源:EETOP

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即將發射的美國火星漫游車“毅力號”(Perseverance)將配備多種觀測設備,用于搜索生命跡象等,FPGA也被廣泛應用于整個車輛。

最近Xilinx公司系統架構師Minal Sawant的透漏了更多關于FPGA用于火星探測車細節。

Minal Sawant

在此我們為大家做一個簡單介紹。

FPGA用于太空示例

使用xilin FPGA的衛星和航天器示例

在JAXA衛星中也有采用

而對于火星探測器,FPGA的首次使用是2003年的勇氣號(Spirit)和機遇號(Opportunity)火星漫游車,采用了Virtex-1系列FPGA用于的電機控制。 其中,"機遇號 "持續探索火星表面15年,大大超過了預期的3個月的壽命,證明了其可靠性。

美國火星探測車:越做越大,功能越來越多

起始于從勇氣號/機遇號,火星漫游車開始使用FPGA

2011年的"好奇號 "則采用了Virtex-2系列。隨著重量一下子增加到900公斤左右,儀器數量的增加,FPGA的使用范圍也隨之擴大,在MAHLI和ChemCam等儀器和總線設備中都有使用。

于2020年推出的毅力號(Perseverance)將在“ LVS”(Lander Vision System)中使用Virtex-5系列“ XQR5VFX130”。

毅力號將采用與好奇號相同的“天車”模式降落在火星上。首先,用降落傘減速,然后在大約1英里(1.6公里)的高度分開。從那里,下降??櫚幕鵂淞骷跛僖孕?,懸掛繩索,并輕輕地將先前懸掛在地面上的流動站掉落。這是“空中的起重機”。

相同的 "天吊 "方式登陸火星。用降落傘減速后,航天器將在1英里(1.6公里)的高度分離。從那里,漫游車將被下降艙的火箭火力減速、懸停,然后通過懸掛繩索緩緩下降到地面。是真正的 “空中的起重機”。

需要注意的是,火星表面也有危險的山脈和山谷。探測器需要下降到預先選定的平坦地點,以便安全著陸,而在下降過程中觀察地表的LVS將被用來幫助導航。通過比較攝像頭的圖像和地圖數據,漫游車可以確定其當前位置。

XQR5VFX130被用作圖像處理的硬件加速器,在勇氣號/機遇號中只使用20MHz的CPU(RAD6000),計算時間約為160秒,而毅力號使用200MHz的CPU(RAD750)和FPGA之間進行分工處理,使其速度提高了18倍,降至僅8.8秒。

毅力號的LVS,在中心“視覺計算元件”中使用了FPGA

毅力號還將其FPGA用于其他觀測設備和總線儀器,如 "PIXL"、"Mastcam-Z "和 "SHERLOC"。

使用相同FPGA的毅力號設備

為什么使用FPGA

現場可編程門陣列(FPGA)是一種可以由用戶自由重新配置(編程)的集成電路。另一方面,ASIC具有高性能、低功耗的特點,但其電路不能改變。FPGACPU和ASIC的良好結合,其自由度高,功耗低。

對于量產產品來說,開發一個專門的ASIC是有利可圖的,但對于衛星和空間探測器來說,基本上最多也就幾十臺,這點用量ASIC明顯不適合。而FPGA不需要大量的初始成本,而且可以馬上設計出來,對于航天來說,FPGA可能是非常適合的。

據Xilinx公司介紹,從2000年左右開始,Xilinx就開始提供空間級FPGA。在太空中,FPGA具有與地面一樣的優勢,尤其是發射后可以重寫。Sawant指出:"由于能夠靈活地適應任務變化,它還將延長衛星本身的壽命。

xilinx 的太空FPGA。使用了特殊的陶瓷封裝

然而,太空中的空間輻射很強,會帶來半導體電路中被稱為 "單次事件效應"(SEE)的問題。單個事件包括存儲器反轉超限(SEU)和過流閂鎖(SEL)。由于這些事件會導致故障和失效,因此在太空中使用它們需要很高的抗輻射能力。

該公司提供了兩款空間級FPGA,分別是90納米工藝的Virtex-4QV和65納米工藝的Virtex-5QV。"4QV "采用了與消費類產品相同的硅片,而 "5QV "則在設計本身內置了抗輻射功能(RHBD:Radiation Hardened by Design),"我們已經能夠將顛覆的發生限制在一年兩次左右" ,Sawant表示。

作為下一代產品,該公司于2020年5月宣布了20 nm工藝“ RT Kintex Ultra Scale”,目前正在樣品供貨中。這是一款一次性跳過幾代流程的高性能產品,預計將除了做圖像處理外還可用于機器學習。

通常,隨著制造過程變得越來越精細,芯片會變得更容易受到輻射的影響,但是RT Kintex UltraScale“通過設計架構和設計,使其很難發生單一事件。”那。

通常情況下,隨著制造工藝的變小,相對來說更容易受到輻射的影響,但據xilinx的RT Kintex UltraScale 過在架構和設計上下功夫,使單一事件難以發生,提高了抗輻射能力。

目前毅力號定于7月30日(美國時間)發射。預計在2021年2月登陸火星。

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