摘要： 隨著雷達(dá)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(yán)峻挑戰(zhàn)。本文深入探討了雷達(dá)遙感星座微波射頻組件中抗輻照MCU的選型策略與實踐應(yīng)用。通過對國科安芯AS32S601型MCU芯片的單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗研究，結(jié)合其數(shù)據(jù)手冊中的詳細(xì)性能參數(shù)，分析了該MCU在抗輻照性能、功能特性以及應(yīng)用場景適配性等方面的優(yōu)勢與特點，為雷達(dá)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(dá)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(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用。

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

一、引言

雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)的核心組成部分，承擔(dān)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(fù)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(yīng)等多種輻射損傷，導(dǎo)致元件性能下降甚至功能失效，從而影響整個雷達(dá)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(dá)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(dá)遙感星座微波射頻組件對抗輻照MCU的需求分析

雷達(dá)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(fēng)、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(dǎo)體器件時，可能會引起單粒子效應(yīng)，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(yīng)（SET）等。單粒子翻轉(zhuǎn)會導(dǎo)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(yīng)會引起信號的瞬時干擾或毛刺，進(jìn)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(dá)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(yīng)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(fù)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(kuò)展性，以便根據(jù)不同的雷達(dá)遙感任務(wù)需求進(jìn)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(yīng)脈沖激光試驗概述

依據(jù)AS32S601型MCU單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗報告（編號：ZKX-2024-SB-21），該試驗嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)能力。試驗采用皮秒脈沖激光單粒子效應(yīng)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(jìn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jī)和控制計算機(jī)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(jìn)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(jìn)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(yīng)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(dāng)激光能量為120pJ（對應(yīng)LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg）開始進(jìn)行全芯片掃描時，未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。隨著激光能量逐步提升至1585pJ（對應(yīng)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(yīng)，表明該MCU具備一定的抗單粒子效應(yīng)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(biāo)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(dá)遙感星座微波射頻組件中的應(yīng)用提供了重要的抗輻照性能依據(jù)，說明其在應(yīng)對太空輻射環(huán)境中的單粒子效應(yīng)方面具有較好的適應(yīng)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(dá)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(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（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(dá)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(jī)同時訪問不同的從機(jī)，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(jī)/從機(jī)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(dǎo)致的存儲錯誤風(fēng)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)SPI協(xié)議，速率最高可達(dá)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(dá)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(jìn)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(hù)；時鐘由多個分立的CMU進(jìn)行監(jiān)控；電源由PMU與ADC配合進(jìn)行監(jiān)控。同時，具備MBIST和LBIST機(jī)制，用于避免功能邏輯和安全機(jī)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(jìn)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(fù)雜惡劣條件下的穩(wěn)定性和抗故障能力，確保了雷達(dá)遙感星座微波射頻組件的可靠運行。

五、AS32S601型MCU在雷達(dá)遙感星座微波射頻組件中的應(yīng)用

（一）典型應(yīng)用場景適配

在雷達(dá)遙感星座中，微波射頻組件主要負(fù)責(zé)雷達(dá)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(fù)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(dá)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、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(dá)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(yīng)用中，將AS32S601型MCU集成到雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)架構(gòu)和任務(wù)要求進(jìn)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浴Ｍ瑫r，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(jìn)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(zhǔn)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(yīng)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(dá)遙感星座微波射頻組件的整體性能和可靠性。

（三）應(yīng)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(dá)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(zhǔn)確性，確保雷達(dá)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(dá)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(dá)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(dá)回波數(shù)據(jù)等，保證了雷達(dá)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(jìn)行實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，立即觸發(fā)相應(yīng)的保護(hù)機(jī)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(dá)遙感星座微波射頻組件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其在抗單粒子效應(yīng)方面表現(xiàn)出的優(yōu)良性能，能夠有效應(yīng)對太空輻射環(huán)境對微波射頻組件的威脅，保障雷達(dá)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(fù)雜多變的雷達(dá)遙感任務(wù)提供了有力的技術(shù)支持。

隨著雷達(dá)遙感技術(shù)的不斷進(jìn)步和太空探索任務(wù)的日益復(fù)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(jìn)一步提升AS32S601型MCU的性能和應(yīng)用能力：一是進(jìn)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(yīng)能力，以滿足更嚴(yán)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(yīng)日益增長的信號處理復(fù)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