摘要 ：空間站機(jī)械臂作為在軌構(gòu)建與維護(hù)的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其控制系統(tǒng)的可靠性直接取決于抗輻照集成電路的性能表現(xiàn)。本文以國(guó)科安芯推出的AS32S601型MCU與ASM1042S2S型CANFD收發(fā)器為例，討論其在商業(yè)航天級(jí)應(yīng)用中的抗輻照特性與集成設(shè)計(jì)方案?；谫|(zhì)子加速器單粒子效應(yīng)試驗(yàn)、鈷源總劑量效應(yīng)試驗(yàn)及脈沖激光等效模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了兩款器件在100 MeV質(zhì)子輻照、150 krad(Si)總劑量及37.4 MeV·cm2/mg重離子環(huán)境下的失效機(jī)理與閾值特征。本文進(jìn)一步探討了機(jī)械臂分布式控制系統(tǒng)中MCU與CANFD芯片的協(xié)同架構(gòu)設(shè)計(jì)，為未來(lái)深空探測(cè)與長(zhǎng)期在軌服務(wù)任務(wù)提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞 ：空間站機(jī)械臂；抗輻照芯片；單粒子效應(yīng)；總劑量效應(yīng)；CANFD通信；MCU集成

1. 引言

空間站機(jī)械臂系統(tǒng)作為空間基礎(chǔ)設(shè)施在軌裝配、載荷照料與故障處置的關(guān)鍵裝備，其電子控制系統(tǒng)長(zhǎng)期暴露于復(fù)雜的輻射環(huán)境中，面臨銀河宇宙射線、太陽(yáng)質(zhì)子事件及南大西洋異常區(qū)捕獲質(zhì)子等多維度輻照威脅?？刂茊卧∕CU）與現(xiàn)場(chǎng)總線收發(fā)器作為機(jī)械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)與指令傳輸?shù)暮诵钠骷淇馆椪漳芰χ苯記Q定了任務(wù)執(zhí)行的可靠性與安全性。傳統(tǒng)宇航級(jí)器件雖具備一定的抗輻照性能，但在面對(duì)新型輻射環(huán)境模型時(shí)仍需進(jìn)行系統(tǒng)性評(píng)估。近年來(lái)，基于RISC-V架構(gòu)的抗輻照加固MCU與符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的CANFD收發(fā)器，通過(guò)地面模擬試驗(yàn)驗(yàn)證與在軌應(yīng)用考核，逐步成為商業(yè)航天級(jí)電子系統(tǒng)的重要選型對(duì)象。

AS32S601型MCU與ASM1042S2S型CANFD收發(fā)器作為國(guó)產(chǎn)商業(yè)航天級(jí)芯片的典型代表，已在高光譜遙感衛(wèi)星TY29與光學(xué)遙感衛(wèi)星TY35中實(shí)現(xiàn)成功應(yīng)用。本文基于多份試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)，系統(tǒng)梳理兩款器件的輻照效應(yīng)特性，深入分析其在空間站機(jī)械臂控制系統(tǒng)中的集成架構(gòu)與冗余設(shè)計(jì)方案，旨在為新一代空間機(jī)械臂電子系統(tǒng)研制提供技術(shù)依據(jù)與參考范式。

2. 器件特征與功能架構(gòu)

2.1 AS32S601型MCU技術(shù)特性

AS32S601型MCU是一款基于32位RISC-V指令集架構(gòu)的微控制器，主頻達(dá)180 MHz，工作電壓支持2.7 V5.5 V寬范圍輸入，適用于-55125℃的寬溫工作環(huán)境。該器件采用LQFP144封裝形式，內(nèi)部集成2 MiB P-Flash、512 KiB D-Flash及512 KiB SRAM，均配備ECC糾錯(cuò)機(jī)制，符合ASIL-B功能安全等級(jí)設(shè)計(jì)要求。其外設(shè)資源豐富，包含3個(gè)12位ADC（48通道）、2個(gè)ACMP、2個(gè)DAC、6路SPI、4路CANFD、4路USART及2路IIC接口，為多自由度機(jī)械臂的傳感器采集、運(yùn)動(dòng)控制與通信調(diào)度提供了硬件基礎(chǔ)。

從結(jié)構(gòu)布局分析，該MCU采用存儲(chǔ)區(qū)與外圍電路分離式設(shè)計(jì)，F(xiàn)lash與SRAM區(qū)域占據(jù)主要芯片面積，時(shí)鐘樹與IO驅(qū)動(dòng)電路分布在管芯邊緣。電特性參數(shù)表明，IO驅(qū)動(dòng)模式支持4.5 mA、9 mA、13.5 mA與18 mA四檔配置，輸入上拉/下拉電阻典型值為48 kΩ，模擬模式電阻為50 Ω，漏電流控制在±10 μA范圍內(nèi)。此類參數(shù)為輻照環(huán)境下的功耗穩(wěn)定性與信號(hào)完整性提供了設(shè)計(jì)裕度。

2.2 ASM1042S2S型CANFD收發(fā)器技術(shù)特性

ASM1042S2S型CANFD收發(fā)器支持最高5 Mbps數(shù)據(jù)速率，具備I/O電平輔助電源輸入引腳，可靈活配置輸入閾值與RXD輸出電平，滿足多電壓域系統(tǒng)的互聯(lián)需求。該器件采用SOP8L封裝，集成待機(jī)模式與遠(yuǎn)程喚醒功能，顯性功耗典型值為70 mA（Normal mode），隱性功耗降至2.5 mA，待機(jī)模式功耗僅5 μA，適用于低功耗在軌任務(wù)場(chǎng)景。

電特性測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，CANH與CANL總線輸出電壓在顯性狀態(tài)下為1.5~3 V差分電平，隱性狀態(tài)下對(duì)稱性偏差小于±50 mV，共模抑制能力強(qiáng)。環(huán)路延時(shí)典型值為160 ns（隱性轉(zhuǎn)顯性）與110 ns（顯性轉(zhuǎn)隱性），確保高速通信的實(shí)時(shí)性。欠壓保護(hù)閾值為4.2 V（上升）與3.8 V（下降），滯回電壓200 mV，可有效防止電源波動(dòng)導(dǎo)致的通信異常。

3. 抗輻照效應(yīng)試驗(yàn)評(píng)估

3.1 質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)條件與判定標(biāo)準(zhǔn)

單粒子效應(yīng)（Single Event Effect, SEE）試驗(yàn)在中國(guó)原子能科學(xué)研究院100 MeV質(zhì)子回旋加速器上進(jìn)行，注量率覆蓋5×10?5×10? p·cm?2·s?1范圍，輻照面積20 cm×20 cm。依據(jù)《宇航用半導(dǎo)體器件質(zhì)子單粒子實(shí)驗(yàn)方法》，AS32S601與ASM1042S2S均選取100 MeV質(zhì)子能量，注量率設(shè)定為1×10? p·cm?2·s?1，累積注量達(dá)1×101? p·cm?2。試驗(yàn)環(huán)境控制在溫度1535℃、相對(duì)濕度20%~80%，靜電防護(hù)符合GB/T 32304標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.2 AS32S601型MCU試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)報(bào)告編號(hào)2025-ZZ-BG-005顯示，AS32S601型MCU在100 MeV質(zhì)子輻照下，工作電流穩(wěn)定在135 mA（供電電壓5 V），未出現(xiàn)單粒子鎖定（SEL）或單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）現(xiàn)象。試驗(yàn)期間CAN接口通信正常，F(xiàn)lash與RAM擦寫功能無(wú)異常，數(shù)據(jù)記錄文件名為"Data"，完整覆蓋了輻照全過(guò)程的寄存器狀態(tài)與內(nèi)存校驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)論明確其抗質(zhì)子單粒子效應(yīng)能力合格，為空間站機(jī)械臂控制算法在軌穩(wěn)定執(zhí)行提供了基礎(chǔ)保障。

3.1.3 ASM1042S2S型CANFD收發(fā)器試驗(yàn)結(jié)果

ASM1042S2S在同等質(zhì)子條件下的試驗(yàn)（報(bào)告編號(hào)2025-ZZ-BG-004）表明，器件5V工作電流保持約8 mA，未觀測(cè)到鎖定現(xiàn)象。USBCAN-FD分析儀以5 Mbps數(shù)據(jù)速率持續(xù)收發(fā)，通道1發(fā)送54328幀、接收54333幀，通道2發(fā)送54333幀、接收54328幀，誤幀率為零。試驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)其質(zhì)子SEE閾值大于當(dāng)前試驗(yàn)條件，滿足機(jī)械臂關(guān)節(jié)間高速數(shù)據(jù)總線的抗輻照要求。

3.2 總劑量效應(yīng)試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)方法與劑量率選擇

總劑量效應(yīng)（Total Ionizing Dose, TID）試驗(yàn)采用鈷60 γ射線源，劑量率設(shè)定為25 rad(Si)/s，輻照總劑量階梯式遞增至150 krad(Si)（含50%過(guò)考核裕量）。試驗(yàn)依據(jù)QJ 10004A-2018《宇航用半導(dǎo)體器件總劑量輻照試驗(yàn)方法》，在24℃±6℃環(huán)境溫度下進(jìn)行，采用移位測(cè)試法確保輻照前后測(cè)試條件一致性。樣品不開蓋處理，以模擬實(shí)際封裝下的劑量累積效應(yīng)。

3.2.2 AS32S601型MCU TID耐受性

試驗(yàn)報(bào)告ZKX-TID-TP-006記錄了AS32S601的總劑量考核過(guò)程。器件在室溫測(cè)試階段工作電流為135 mA，50%過(guò)輻照（150 krad(Si)）后電流略微降至132 mA，變化率-2.2%，處于測(cè)量不確定度范圍內(nèi)。CAN通信與存儲(chǔ)器擦寫功能全程正常，未出現(xiàn)參數(shù)漂移或功能退化。168小時(shí)高溫退火（100℃）后，電參數(shù)與外觀復(fù)測(cè)均合格，表明其具有良好的退火恢復(fù)特性?？箍倓┝磕芰ψ罱K判定為大于150 krad(Si)，滿足空間站5~10年壽命期的劑量累積需求（典型任務(wù)劑量約100 krad(Si)）。

3.2.3 ASM1042S2S型CANFD收發(fā)器TID耐受性

ASM1042S2S的總劑量試驗(yàn)（報(bào)告編號(hào)ZKX-TID-TP-007）同樣采用150 krad(Si)考核劑量。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，器件在待機(jī)模式與正常工作模式下的功耗未發(fā)生顯著變化，總線輸出電壓對(duì)稱性保持在±0.2 V以內(nèi)，隱性短路電流Ios維持在±5 mA范圍。CANFD通信在輻照前后均保持正常，數(shù)據(jù)幀傳輸無(wú)誤。試驗(yàn)結(jié)論確認(rèn)其TID指標(biāo)大于150 krad(Si)，為機(jī)械臂通信鏈路的長(zhǎng)期可靠性提供了數(shù)據(jù)支撐。

3.3 重離子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)條件與LET閾值測(cè)定

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心對(duì)ASM1042S2S開展了重離子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，選用74Ge離子，能量205 MeV，硅中LET值37.4 MeV·cm2/mg，射程30 μm。輻照總注量1×10? ion/cm2，注量率2.2×10? ion/cm2/s，偏置條件5 V。試驗(yàn)在真空環(huán)境下進(jìn)行，在線監(jiān)測(cè)工作電流與通信功能。

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果與失效模式分析

試驗(yàn)報(bào)告2025FZ010表明，ASM1042S2S在LET=37.4 MeV·cm2/mg條件下未發(fā)生SEL或SEU，其單粒子鎖定與翻轉(zhuǎn)閾值均大于當(dāng)前試驗(yàn)值。該結(jié)果與脈沖激光試驗(yàn)數(shù)據(jù)形成交叉驗(yàn)證，證明其敏感區(qū)域集中于淺結(jié)器件結(jié)構(gòu)，深阱隔離設(shè)計(jì)有效抑制了閂鎖路徑。值得注意的是，該器件已應(yīng)用于TY29與TY35衛(wèi)星，在軌運(yùn)行期間接口通信穩(wěn)定，未上報(bào)任何單粒子異常事件，地面試驗(yàn)與在軌表現(xiàn)高度一致。

3.4 脈沖激光等效模擬試驗(yàn)

3.4.1 試驗(yàn)原理與參數(shù)設(shè)置

脈沖激光試驗(yàn)基于載流子密度等效原理，采用120 pJ初始能量（對(duì)應(yīng)LET≈5 MeV·cm2/mg），階梯式遞增至1830 pJ（對(duì)應(yīng)LET≈75 MeV·cm2/mg）。激光頻率1000 Hz，三維移動(dòng)臺(tái)速度3000 μm/s，X/Y軸步長(zhǎng)3 μm，注量1×10? cm?2。樣品開封裝后正面輻照，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流與功能狀態(tài)。

3.4.2 AS32S601脈沖激光試驗(yàn)結(jié)果

ZKX-2024-SB-21報(bào)告顯示，AS32S601在LET值565 MeV·cm2/mg范圍內(nèi)未出現(xiàn)鎖定，電流穩(wěn)定在100 mA。當(dāng)能量提升至1585 pJ（LET≈75 MeV·cm2/mg）時(shí)，觀測(cè)到CPU復(fù)位現(xiàn)象，但未鎖定，表明其SEU閾值位于6575 MeV·cm2/mg區(qū)間。該結(jié)果與質(zhì)子試驗(yàn)結(jié)論互補(bǔ)，驗(yàn)證了其在高LET值重離子環(huán)境下的魯棒性。

3.4.3 ASM1042系列脈沖激光對(duì)比分析

對(duì)ASM1042A、SIT1042AQ與TCAN1042HGVD的對(duì)比試驗(yàn)揭示不同設(shè)計(jì)加固水平的差異。ASM1042A在LET=100 MeV·cm2/mg下仍無(wú)鎖定，表現(xiàn)最優(yōu)；SIT1042AQ在LET=37 MeV·cm2/mg出現(xiàn)閂鎖；TCAN1042HGVD在LET=25 MeV·cm2/mg出現(xiàn)功能中斷（SEFI），37 MeV·cm2/mg出現(xiàn)鎖定。該對(duì)比凸顯了ASM1042S2S在抗輻照設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)，其采用VIS 0.15 μm BCD工藝，淺槽隔離與Epi層結(jié)構(gòu)有效降低了電荷收集效率。

4. 空間站機(jī)械臂集成架構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 分布式控制系統(tǒng)拓?fù)?/strong>

空間站機(jī)械臂通常采用"中央控制器-關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器-末端執(zhí)行器"三級(jí)分布式架構(gòu)。AS32S601型MCU作為關(guān)節(jié)控制器核心處理器，負(fù)責(zé)電機(jī)伺服控制、位置反饋解算與傳感器數(shù)據(jù)融合；ASM1042S2S構(gòu)成CANFD總線物理層，實(shí)現(xiàn)5 Mbps高速指令傳輸與狀態(tài)回傳。每一路CANFD總線最多可掛載16個(gè)節(jié)點(diǎn)，滿足機(jī)械臂6~7自由度擴(kuò)展需求。

4.2 冗余與容錯(cuò)設(shè)計(jì)

依據(jù)ASIL-B功能安全要求，集成方案采用雙CANFD總線冷備份架構(gòu)。主總線故障時(shí)，備用總線在100 ms內(nèi)完成切換，切換邏輯由獨(dú)立看門狗電路實(shí)現(xiàn)。每個(gè)關(guān)節(jié)配置雙MCU熱冗余，通過(guò)同步串口交互心跳信號(hào)，故障節(jié)點(diǎn)自動(dòng)隔離。Flash存儲(chǔ)采用ECC糾錯(cuò)與三模冗余（TMR）代碼存儲(chǔ)，單比特翻轉(zhuǎn)可實(shí)時(shí)糾正，多比特翻轉(zhuǎn)觸發(fā)程序流重載。

4.3 偏置與負(fù)載管理

總劑量試驗(yàn)表明，靜態(tài)偏置下的功耗穩(wěn)定性優(yōu)于動(dòng)態(tài)工作模式。機(jī)械臂在軌非工作期間，MCU切換至低功耗待機(jī)模式（電流<5 mA），CANFD收發(fā)器進(jìn)入Standby模式（功耗5 μA），最大限度減少劑量累積效應(yīng)。工作時(shí)IO驅(qū)動(dòng)模式根據(jù)負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保信號(hào)完整性同時(shí)降低功耗，避免輻照誘導(dǎo)的熱載流子退化。

5. 在軌驗(yàn)證與性能評(píng)估

5.1 TY29與TY35衛(wèi)星應(yīng)用概況

ASM1042S2S芯片于2025年5月隨TY29"天儀29星"高光譜地質(zhì)遙感衛(wèi)星與TY35"天儀35星"光學(xué)遙感衛(wèi)星入軌。兩星均運(yùn)行于低地球軌道（LEO），軌道高度約500 km，傾角97.5°，空間輻射環(huán)境以捕獲質(zhì)子與重離子為主。芯片應(yīng)用于通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，接口速率配置為5 Mbps，單粒子效應(yīng)設(shè)計(jì)指標(biāo)為SEU≥75 MeV·cm2/mg或10??次/器件·天，SEL≥75 MeV·cm2/mg。

5.2 在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

截至2025年7月，ASM1042S2S已在軌運(yùn)行超過(guò)60天，累計(jì)經(jīng)歷南大西洋異常區(qū)穿越約300次，未發(fā)生單粒子導(dǎo)致的通信中斷或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示，芯片工作電流穩(wěn)定在8~9 mA，總線誤碼率低于10??，與地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)高度吻合。值得注意的是，TY29星搭載的AS32S601型MCU同樣表現(xiàn)穩(wěn)定，其在軌SEU監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)lash ECC糾錯(cuò)觸發(fā)頻率約0.02次/天，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)閾值，驗(yàn)證了地面模擬試驗(yàn)向在軌環(huán)境外推的有效性。

5.3 與國(guó)外同類器件對(duì)比

相較于TI公司的TCAN1042系列，ASM1042S2S在LET=37 MeV·cm2/mg下無(wú)鎖定，而TCAN1042HGVD在同等條件下出現(xiàn)SEL，表明國(guó)產(chǎn)器件在抗閂鎖設(shè)計(jì)上具有一定優(yōu)勢(shì)。與Microchip的SAMV71Q21 RT系列MCU相比，AS32S601的總劑量耐受能力（>150 krad(Si)）略低于前者的300 krad(Si)，但主頻180 MHz高于SAMV71的150 MHz，在算力與成本間取得了平衡。

6. 結(jié)論

本文通過(guò)系統(tǒng)梳理AS32S601型MCU與ASM1042S2S型CANFD收發(fā)器的多維度輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)，證實(shí)兩款器件具備優(yōu)異的商業(yè)航天級(jí)抗輻照性能。AS32S601在100 MeV質(zhì)子、150 krad(Si)總劑量及75 MeV·cm2/mg激光等效LET條件下功能正常，ASM1042S2S的重離子鎖定閾值大于37.4 MeV·cm2/mg，且在軌驗(yàn)證表現(xiàn)穩(wěn)定。針對(duì)空間站機(jī)械臂應(yīng)用，提出的雙總線冗余、雙MCU熱備份及動(dòng)態(tài)功耗管理架構(gòu)，可有效應(yīng)對(duì)空間輻射威脅。

審核編輯 黃宇