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采用了大量FPGA,即将发射的美国火星漫游车技术揭秘

2020-07-22 19:53:09 来源:EETOP

即将发射的美国火星漫游车“毅力号”(Perseverance)将配备多种观测设备,用于搜索生命迹象等,FPGA也被广泛应用于整个车辆。

最近Xilinx公司系统架构师Minal Sawant的透漏了更多关于FPGA用于火星探测车细节。

Minal Sawant

在此我们为大家做一个简单介绍。

FPGA用于太空示例

使用xilin FPGA的卫星和航天器示例

在JAXA卫星中也有采用

而对于火星探测器,FPGA的首次使用是2003年的勇气号(Spirit)和机遇号(Opportunity)火星漫游车,采用了Virtex-1系列FPGA用于的电机控制。 其中,"机遇号 "持续探索火星表面15年,大大超过了预期的3个月的寿命,证明了其可靠性。

美国火星探测车:越做越大,功能越来越多

起始于从勇气号/机遇号,火星漫游车开始使用FPGA

2011年的"好奇号 "则采用了Virtex-2系列。随着重量一下子增加到900公斤左右,仪器数量的增加,FPGA的使用范围也随之扩大,在MAHLI和ChemCam等仪器和总线设备中都有使用。

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

毅力号将采用与好奇号相同的“天车”模式降落在火星上。首先,用降落伞减速,然后在大约1英里(1.6公里)的高度分开。从那里,下降模块的火箭射流减速以悬停,悬挂绳索,并轻轻地将先前悬挂在地面上的流动站掉落。这是“空中的起重机”。

相同的 "天吊 "方式登陆火星。用降落伞减速后,航天器将在1英里(1.6公里)的高度分离。从那里,漫游车将被下降舱的火箭火力减速、悬停,然后通过悬挂绳索缓缓下降到地面。是真正的 “空中的起重机”。

需要注意的是,火星表面也有危险的山脉和山谷。探测器需要下降到预先选定的平坦地点,以便安全着陆,而在下降过程中观察地表的LVS将被用来帮助导航。通过比较摄像头的图像和地图数据,漫游车可以确定其当前位置。

XQR5VFX130被用作图像处理的硬件加速器,在勇气号/机遇号中只使用20MHz的CPU(RAD6000),计算时间约为160秒,而毅力号使用200MHz的CPU(RAD750)和FPGA之间进行分工处理,使其速度提高了18倍,降至仅8.8秒。

毅力号的LVS,在中心“视觉计算元件”中使用了FPGA

毅力号还将其FPGA用于其他观测设备和总线仪器,如 "PIXL"、"Mastcam-Z "和 "SHERLOC"。

使用相同FPGA的毅力号设备

为什么使用FPGA

现场可编程门阵列(FPGA)是一种可以由用户自由重新配置(编程)的集成电路。另一方面,ASIC具有高性能、低功耗的特点,但其电路不能改变。FPGACPU和ASIC的良好结合,其自由度高,功耗低。

对于量产产品来说,开发一个专门的ASIC是有利可图的,但对于卫星和空间探测器来说,基本上最多也就几十台,这点用量ASIC明显不适合。而FPGA不需要大量的初始成本,而且可以马上设计出来,对于航天来说,FPGA可能是非常适合的。

据Xilinx公司介绍,从2000年左右开始,Xilinx就开始提供空间级FPGA。在太空中,FPGA具有与地面一样的优势,尤其是发射后可以重写。Sawant指出:"由于能够灵活地适应任务变化,它还将延长卫星本身的寿命。

xilinx 的太空FPGA。使用了特殊的陶瓷封装

然而,太空中的空间辐射很强,会带来半导体电路中被称为 "单次事件效应"(SEE)的问题。单个事件包括存储器反转超限(SEU)和过流闩锁(SEL)。由于这些事件会导致故障和失效,因此在太空中使用它们需要很高的抗辐射能力。

该公司提供了两款空间级FPGA,分别是90纳米工艺的Virtex-4QV和65纳米工艺的Virtex-5QV。"4QV "采用了与消费类产品相同的硅片,而 "5QV "则在设计本身内置了抗辐射功能(RHBD:Radiation Hardened by Design),"我们已经能够将颠覆的发生限制在一年两次左右" ,Sawant表示。

作为下一代产品,该公司于2020年5月宣布了20 nm工艺“ RT Kintex Ultra Scale”,目前正在样品供货中。这是一款一次性跳过几代流程的高性能产品,预计将除了做图像处理外还可用于机器学习。

通常,随着制造过程变得越来越精细,芯片会变得更容易受到辐射的影响,但是RT Kintex UltraScale“通过设计架构和设计,使其很难发生单一事件。”那。

通常情况下,随着制造工艺的变小,相对来说更容易受到辐射的影响,但据xilinx的RT Kintex UltraScale 过在架构和设计上下功夫,使单一事件难以发生,提高了抗辐射能力。

目前毅力号定于7月30日(美国时间)发射。预计在2021年2月登陆火星。

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