8年前，NASA和約翰霍普金斯大學聯合立項，投入15億美元打造一款繞日探測衛星。2018年，這款名為“帕克號”的太陽探測器發射升空。帕克號上的電子系統和儀器組由多個FPGA共同控制，幫助帕克號成為有史以來最接近太陽和速度最快的人造航天器。

帕克太陽探測器上的宇航級FPGA

帕克太陽探測器的主要目標是探究和解決太陽風形成的原因，并研究加速各種高能太陽粒子的神秘力量。帕克太陽探測器是目前人類制造的移動速度最快的物體，在最大軌道速度下，它將以接近每小時70萬公里的速度穿越太陽的日冕層。如果在地球上以這個速度航行，不到一分鐘就能從華盛頓到達東京。

正因如此，帕克太陽探測器成就了另外一個里程碑 -- 太陽系中速度最快的FPGA：來自MicroSemi公司的抗輻射宇航級RTAX4000系列FPGA。

盡管這里的“最快”并不是指FPGA的運行頻率，而是它們高達70萬公里/小時的巡航速度，但是這些基于0.15μm工藝制造的FPGA有著很多獨特的亮點。

在復雜的宇航空間環境下，存在著大量的高能帶電粒子，它們會造成集成電路中的電子元件的電位狀態的改變，如從“0”變成“1”，或從“1”變成“0”，這種現象叫做單粒子翻轉（Single-Event Upsets， SEU）。這些微小的數位改變對于數字系統的影響往往是致命的。因此，在帕克號的FPGA中集成了抗SEU、外加三重冗余保護（Triple Module Redundancy - TMR）的寄存器，使SEU發生的概率降到了十的負十次方。

FPGA上還有專門的邏輯發現和修正SRAM上發生的位翻轉。即使SRAM自帶的錯誤檢測和校正電路發生故障，這些SEU也能被發現并修正。

此外，RTAX4000 FPGA采用了金屬對金屬的反熔絲結構互聯，因此即使受到宇宙離子沖擊也不會改變FPGA的邏輯結構。

帕克號基于FPGA的DSP與控制系統

帕克號配備了五種科學儀器，合稱為“FIELDS”儀器組。它包含了多種傳感器和測試儀表，主要用來測量電場和磁場、等離子體波譜和極化特性、電子密度和溫度分布以及太陽射電輻射等，如下圖所示。

探測器的電子系統包含兩個Microsemi公司的抗輻射宇航級RTAX4000 FPGA芯片，見下圖紫紅色部分。

其中，一個FPGA位于FIELDS儀器組內，如下圖所示。它主要負責將26路傳感器的輸入信號以150 kSa/s的采樣速率進行數字信號處理，以產生光譜和跨譜矩陣，以及對應的時間序列數據。

另外一個FPGA位于探測器的數據控制電路板（DCB）上，用來作為FIELDS儀器組的主要控制器，如下圖所示。同時，這個FPGA負責控制FIELDS與航天器的連接和通信，即接收并解碼來自航天器的指令，并將其傳送到儀器組的各個子系統中。

這個FPGA包含了一個復雜的外接存儲系統，包含了32kB 抗輻射PROM，2MB SRAM，512KB EEPROM和32GB閃存。其中，PROM中保存著FIELDS儀器組的啟動軟件，EEPROM中保存著儀器組的操作軟件、機載腳本，以及其他儀表的參數。在儀器啟動過程中，EEPROM中的數據會被傳輸到SRAM中運行。

此外，FPGA還集成了一個32位的嵌入式CPU。這個CPU使用了ColdFire架構，它是上世紀70年代末摩托羅拉半導體68000處理器的升級版，可以稱得上是微處理器里的活化石和上古神跡了。

在這個FPGA中，還實現了FIELDS儀器組的模擬信號管理、儀器控制、航天器接口、大容量內存控制器，以及RF頻譜儀。FPGA控制DCB系統與航天器交換電磁場信息與飛行狀態，并通過航天器的消息系統跟蹤任務運行時間。

結語

帕克太陽探測器的第二個近日點預計將在今年4月。在7年的任務中，飛船將經歷24個近日點，而最后的三個近日點將把宇宙飛船帶到離太陽表面僅380萬英里的地方，使得帕克號面向太陽一側的隔熱罩外的溫度達到1370攝氏度。在這個大膽而令人興奮的旅程中，FPGA的表現十分值得期待。

由于FPGA兼顧了性能和功耗，同時有高容錯、強抗干擾的能力，因此被廣泛應用于航空航天領域。希望伴隨著FPGA技術的發展，人類會在探索宇宙的道路上加速前行。