Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-10-19T12:37:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1
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Previous issue date: 2015 / Este trabalho investiga os efeitos combinados da radiação e interferência eletromagnética em sistemas embarcados críticos baseados em dispositivos reconfiguráveis (FPGAs). Os efeitos investigados podem ser resultantes de interferência eletromagnética, conduzida ou radiada, ou através de radiação ionizante, por acúmulo de dose total (Total Ionizing Dose, ou TID) ou por efeitos de evento único, denominados de Single Event Effects (SEE). Dispositivos do tipo FPGA têm sido cada vez mais utilizados em sistemas críticos, devido a sua versatilidade, desempenho e robustez. O presente estudo contribui para a caracterização e qualificação de dispositivos FPGAs quando em funcionamento em ambientes ruidosos. O cenário descrito motivou a proposta deste trabalho, que contempla três objetivos principais: (1) O projeto, desenvolvimento e validação de uma plataforma para ensaios combinados de radiação e de interferência eletromagnética (conduzida e radiada) usando como referência o conjunto de normas IEC 62.132. (2) Desenvolver uma metodologia para qualificar sistemas em chip (SoCs) implementados em FPGA levando-se em conta os efeitos combinados da radiação (TID e SEE) e da interferência eletromagnética (EMI radiada e conduzida); (3) Demonstrar a utilização integrada da metodologia e plataforma para qualificação destes dispositivos e os sistemas em chip utilizados no que diz respeito à
dose de radiação, tempo de atraso entre entrada e saída, tensão mínima de funcionamento, consumo de corrente dinâmico, nível de campo eletromagnético máximo suportado antes da falha, a faixa de frequências em que os dispositivos apresentaram falhas com outros valores de campo e a sensibilidade à Single Event Upsets (SEU) tendo seus efeitos combinados com TID e EMI. Cabe salientar que estas plataformas de testes deste nível e para este propósito não foram encontradas na literatura nem no Brasil nem no exterior, nos motivando ainda mais a pesquisa e o desenvolvimento pela sua originalidade e grande utilidade para projetos que envolvem sistemas em chip utilizando FPGAs quando submetidos à radiação e à EMI. Principalmente quando aplicado a sistemas embarcados para aplicações críticas. A plataforma desenvolvida é baseada em três placas específicas e complementares em duas versões. A primeira é dedicada para ensaios com radiação ionizante, e pode ser utilizada em uma câmara aceleradora de partículas ou em uma Gamma Cell (para exposição a raios gama) ou ainda em equipamentos de raios X. A segunda placa é dedicada para o teste de imunidade à EMI radiada utilizando uma Giga-hertz Transverse Electromagnetic Cell (GTEM Cell) de acordo com a norma
IEC 62.132-2 e a terceira é uma placa de injeção de EMI conduzido pelas linhas de alimentação do circuito, e usou como referência a norma IEC 61.000-4-29. Com a plataforma e metodologia apresentadas neste trabalho foi possível comprovar que quanto maior a dose de radiação recebida, mais susceptível o dispositivo fica quando exposto à EMI, aumentando em pelo menos 30% a quantidade de falhas, em até 230% o tempo de atraso entre entrada e saída e em até 19% o consumo de corrente dinâmico do dispositivo. Assim como quanto maior a dose de radiação sofrida, maior será a sensibilidade à SEU. Com os limites de operação apresentados para os FPGAs em teste, o projetista pode decidir se o dispositivo está ou não qualificado para o seu uso em determinada aplicação.<br> / Abstract : The combined effects of radiation and electromagnetic interference in reconfigurable devices (FPGAs) are explored in this work. The investigated effects can originate from radiated or conducted electromagnetic interference, through ionizing radiation, by accumulation of total dose (Total Ionizing Dose TID) or by Single Event Effects also known as SEE. Since FPGA devices have been increasingly used in critical systems, due to their versatility, performance and robustness, this study contributes to the characterization and qualification of FPGAs devices when operating in noisy environments. The described scenario resulted in a proposal with three main objectives: (1) The design, development and validation of a platform for combined tests for radiation and electromagnetic interference (conducted and radiated) with reference to IEC 62.132 standards. (2) Development of a methodology to qualify systems on chip (SoC) implemented in FPGA taking into account the combined effects of radiation (TID and SEE) and electromagnetic interference (EMI radiated and conduced); (3) Demonstrate the combined use of the methodology and platform for qualifications of these devices and SoC used with respect to radiation dose, time delay between input and output, minimum operating voltage, the dynamic power consumption, electromagnetic field level supported before failure, the frequency range in which the devices had failures with other field values and sensitivity to Single Event Upsets (SEU) with TID and EMI combined effects. It should be emphasized that these test platforms, at this level and for this purpose have not been found in the literature either in Brazil or in other countries, motivating this research and development for its originality and use in projects involving systems on chip on FPGAs when exposed to radiation and EMI. Especially when applied to embedded systems for critical applications. The developed platform is based on three specific and complementary boards in two versions. The first one is dedicated to radiation immunity test according to the IEC 62132-2 standard, and can be used in a particle accelerator chamber (e.g. protons) Gamma Cell (for gamma rays exposure) or in X ray equipment s. The second board is dedicated to radiated noise immunity testing in a Giga- Hertz Transverse Electromagnetic Cell (GTEM Cell) referenced by the IEC 62.132-2 standard. The third one is a board for conducted EMI injection by the circuit supply lines referenced by the IEC 61.000-4-29 standard. With the platform and methodology presented in this work it was possible to prove that the higher radiation dose received, the more susceptible when exposed to EMI the device is, increasing by at least 30 % the number of failures, up to 230 % the time delay between input and output and up to 19 % dynamic current consuming of the device. As well as the higher the radiation dose suffered, the more sensitivity to SEU is. With operating limits presented for FPGAs under test, the designer can decide if the device is qualified or not for use in a particular application.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsc.br:123456789/169285 |
| Date | January 2015 |
| Creators | Benfica, Juliano D'Ornelas |
| Contributors | Universidade Federal de Santa Catarina, Bezerra, Eduardo Augusto, Vargas, Fabian Luis |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | 225 p.| il., grafs. |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSC, instname:Universidade Federal de Santa Catarina, instacron:UFSC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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