基于FPGA的空間存儲器糾錯系統的設計研究

　1、引言

　　阿爾法磁譜儀(Alpha Magnetic Spectrometer，AMS)實驗室是丁肇中博士領導的由美、俄、德、法、中等16個國家和地區共300多名科學家參加的大型國際合作項目。它是國際空間站上唯一大型物理實驗，是人類第一次在太空中精密地測量高能量帶電原子核粒子的實驗。其目的是為尋找反物質所組成的宇宙和暗物質的來源以及測量宇宙線的來源。

　　但是對于AMS實驗的空間電子系統，同樣會受到高能粒子的襲擊，導致存儲器的內容發生變化，改寫半導體存儲器件的邏輯狀態，導致存儲單元在邏輯‘0’與‘1’之間發生翻轉，使存儲的關鍵數據出錯，控制程序跑飛等。這對于AMS實驗系統來說，是一個不容忽視的問題。因此，我們采用二元BCH(31，16)碼，能糾正三位隨機錯誤，這種糾錯碼信息不需要儲存，不需要反饋，實時性好。

　　2、編譯碼原理

　　對于空間電子系統可能出現的問題，我們進行檢錯與糾錯，其基本思想是在信息碼組中以一定規則加入不同方式的冗余碼，以便在信息讀出的時候依靠多余的監督碼或校驗碼來發現或自動糾正錯誤。

　　2.1 編碼

　　編碼比較簡單，二元BCH(31，16)是GF(25)域上的線性分組碼，其中二進制最高位m=5，總信息長n=2m-1=31，校驗位數k=15，可糾錯位數t=3，生成多項式g(x)為：

　　2.2 譯碼

　　譯碼過程比較復雜，包括1)求伴隨多項式，2)系數計算電路，3)錯誤位置計算電路，其中最關鍵的是第三步，如圖1。這里假設接收到的數據錯了三位，第28、20、17位發生了0／1偏轉，即

　　(1)求伴隨多項式

　　根據生成多項式與ai的最小多項式之間的關系，用φi(x)去除接收多項式R(x)而得到伴隨式分量，即，

　　(2)系數計算電路

　　令錯誤位置多項式

?

(3)錯誤位置計算

　　由上一步我們得出錯誤圖樣為：

　　因此原碼多項式為：

　　3、仿真與下載

　　對于上述編譯碼算法，采用Verilog HDL可綜合語言來描述，整個程序分為頂層模塊和底層模塊，頂層模塊很簡單，主要完成底層模塊的調用和數據的復位，編碼算法主要由底層模塊完成。其中包括編譯碼算法主程序，撥碼開關控制程序，液晶顯示程序，系統函數PLL(鎖相環)程序。系統利用兩個撥碼開關sw1，sw2來控制編碼結果或譯碼結果的下載與顯示。

　　圖2和圖3是編碼和譯碼的仿真圖，仿真工具用的是modelsim 6.0，編碼結果CX=0x69d8ba0e，譯碼過程中，根據接收多項式RX=0x79caba0e以及最小多項式f1=0x25，f3=0x3d，f5=0x37，譯碼后得出錯誤多項式EX=0x10120000，最后RX與EX相與得出CX_dec=0x69d8ba0e，與原碼一致。圖4和圖5是下載后顯示到液晶屏的結果CX=0x69d8ba0e，EX=0x10120000，所用編譯工具是quartusⅡ5.0，FPGA芯片采用的是Altera Cyclone EP1C6，用到1個PLL，引腳數15個，芯片資源耗用不超過5萬門。

　　4、結束語

　　BcH(31，16)編譯碼算法，可以糾正3位錯誤，用VerilogHDL可綜合語言描述以上的編碼糾錯過程，軟件仿真和硬件下載都證明了算法的正確性和可行性。整套試驗系統是模擬空間存儲器受到高能粒子的干擾而發生錯誤，這對于我們AMS實驗也是很關鍵的一步，現階段我們用到的防護措施是三倍冗余編碼糾錯，但它占用的硬件資源比較多，而本文中所研究的循環BCH碼能夠節省資源，糾錯效果也很明顯，所以它將會在AMS項目中得到實際的應用。