摘要： 本文聚焦于國科安芯推出的AS32S601型MCU芯片在衛(wèi)星光纖放大器（EDFA）中的潛在應(yīng)用，探討其技術(shù)特性、抗輻射性能及適用性。通過分析其在單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)中的表現(xiàn)，結(jié)合EDFA系統(tǒng)對控制芯片的要求，評估該芯片在高輻射空間環(huán)境下的可靠性。同時，詳細(xì)闡述其在EDFA系統(tǒng)控制中的應(yīng)用方案，包括集成架構(gòu)、控制算法實(shí)現(xiàn)及低功耗優(yōu)勢，為國產(chǎn)MCU芯片在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

一、引言

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，光纖放大器（EDFA）是關(guān)鍵的光信號增強(qiáng)設(shè)備，而高可靠性的MCU芯片作為其控制系統(tǒng)的核心，對EDFA穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。MCU芯片AS32S601憑借其出色的抗輻射性能和豐富的功能特性，展現(xiàn)出在衛(wèi)星EDFA領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。本文旨在深入探討該芯片在衛(wèi)星EDFA中的技術(shù)適配性及應(yīng)用前景。

二、衛(wèi)星EDFA系統(tǒng)概述

（一）EDFA的工作原理與功能

EDFA是一種基于摻鉺光纖的光放大器，利用鉺離子（Er3?）在泵浦光激發(fā)下實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而對信號光進(jìn)行放大。其具有高增益、寬帶寬、低噪聲和高輸出功率等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效補(bǔ)償光信號在傳輸中的損耗，延長通信距離，提升信號質(zhì)量，確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。

（二）EDFA對控制芯片的要求

EDFA的穩(wěn)定運(yùn)行依賴于精確的控制芯片來實(shí)現(xiàn)泵浦光源驅(qū)動、信號監(jiān)測、溫度控制及增益調(diào)節(jié)等功能。因此，控制芯片需具備高可靠性、抗輻射能力、高性能處理能力及低功耗等特性，以適應(yīng)太空環(huán)境中的嚴(yán)苛條件。

三、AS32S601芯片技術(shù)特性分析

（一）芯片基本信息

AS32S601是國科安芯研制的32位RISC-V指令集MCU產(chǎn)品，屬于企業(yè)宇航級芯片，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。其芯片工藝為55nm，芯片大小為3959μm×3959μm，采用LQFP144封裝形式。

（二）芯片的抗輻射性能指標(biāo)

AS32S601芯片的單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）閾值達(dá)到≥75MeV·cm2/mg或10??次/器件?天，單粒子鎖定（SEL）閾值達(dá)到≥75MeV·cm2/mg，具備較強(qiáng)的抗輻射能力，能夠滿足企業(yè)宇航級對于芯片抗輻射的要求。

（三）芯片的功能特性與優(yōu)勢

豐富的存儲資源 ：內(nèi)置512KiB內(nèi)部SRAM（帶ECC），16KiBICache和16KiBDCache（帶ECC），512KiBD-Flash（帶ECC）以及2MiBP-Flash（帶ECC），為EDFA控制系統(tǒng)的程序運(yùn)行和數(shù)據(jù)存儲提供充足空間，并保障數(shù)據(jù)可靠性。

強(qiáng)大的通信接口 ：具備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，可滿足EDFA系統(tǒng)與衛(wèi)星其他部件之間的復(fù)雜通信需求。

高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理能力 ：集成3個12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），最多支持48通道模擬通路，以及2個8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），能夠?qū)崿F(xiàn)對EDFA系統(tǒng)中各種模擬信號的精確采集和轉(zhuǎn)換，為控制算法提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)支持。

靈活的電源管理模式 ：支持4種電源管理模式，包括RUN，SRUN，SLEEP，DEEPSLEEP，以及低電壓檢測和復(fù)位功能（LVD/LVR）、高電壓檢測功能（HVD），可根據(jù)EDFA系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行靈活的電源管理，有效降低功耗。

四、AS32S601芯片單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)評估

（一）試驗(yàn)?zāi)康呐c依據(jù)

本次試驗(yàn)旨在評估AS32S601型MCU在激光輻照下的抗單粒子效應(yīng)性能，驗(yàn)證其是否滿足在衛(wèi)星EDFA等高可靠空間應(yīng)用領(lǐng)域的要求。試驗(yàn)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)包括GB/T43967-2024《空間環(huán)境宇航用半導(dǎo)體器件單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)方法》、GJB10761-2022《脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗(yàn)方法》等。

（二）試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)地點(diǎn)與環(huán)境 ：試驗(yàn)在脈沖激光單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為24℃，濕度為42%RH。

試驗(yàn)裝置 ：采用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(jì)算機(jī)等儀器設(shè)備組成。

試驗(yàn)樣品處理 ：在激光試驗(yàn)前，對芯片樣品進(jìn)行開封裝處理，使樣品正面金屬管芯表面完全暴露。

掃描方法 ：將試驗(yàn)電路板固定于三維移動臺上，設(shè)定樣品的長a對應(yīng)CCD成像的Y軸，寬b對應(yīng)CCD成像的X軸，樣品CCD成像的左下角作為坐標(biāo)軸原點(diǎn)即掃描起點(diǎn)。三維移動臺按一定順序作周期移動，使激光覆蓋掃描試驗(yàn)樣品。

激光注量與能量設(shè)置 ：激光注量設(shè)定為1×10?cm2，掃描初始激光能量設(shè)定為120pJ（對應(yīng)LET值為（5±1.25）MeV·cm2·mg），最高采用的能量為1830pJ（對應(yīng)LET值為（75±18.75）MeV·cm·mg）。

（三）試驗(yàn)結(jié)果與分析

單粒子效應(yīng)判定 ：當(dāng)試驗(yàn)樣品工作狀態(tài)出現(xiàn)異常，超過正常芯片工作電流的1.5倍時，判定發(fā)生單粒子鎖定效應(yīng)（SEL）。在本次試驗(yàn)中，AS32S601型MCU在5V的工作條件下，從激光能量為120pJ開始進(jìn)行全芯片掃描，未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)，直至激光能量提升至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。

結(jié)果評估 ：試驗(yàn)結(jié)果表明，AS32S601芯片在較高的激光能量下才出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)，且未出現(xiàn)單粒子鎖定效應(yīng)，這說明其在抗單粒子效應(yīng)方面具有較好的性能。結(jié)合其數(shù)據(jù)手冊中給出的抗輻射指標(biāo)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該芯片具備在衛(wèi)星EDFA等空間應(yīng)用環(huán)境中抵御單粒子效應(yīng)的能力，能夠滿足宇航級芯片對于可靠性和穩(wěn)定性的嚴(yán)格要求。

五、AS32S601芯片在衛(wèi)星EDFA中的應(yīng)用方案設(shè)想

（一）芯片與EDFA系統(tǒng)的集成架構(gòu)

在衛(wèi)星EDFA系統(tǒng)中，AS32S601芯片作為核心控制單元，通過其豐富的通信接口與EDFA的各個模塊進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)交互。例如，利用SPI接口與泵浦光源驅(qū)動模塊進(jìn)行通信，控制泵浦光源的輸出功率和調(diào)制頻率；通過CAN總線與衛(wèi)星的其他子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對EDFA系統(tǒng)的整體監(jiān)控和管理；利用以太網(wǎng)接口與地面控制中心進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，實(shí)現(xiàn)對EDFA系統(tǒng)的實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)控和參數(shù)調(diào)整。

（二）基于AS32S601的EDFA控制算法實(shí)現(xiàn)

增益控制算法 ：AS32S601芯片通過其高性能的處理器和豐富的存儲資源，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的EDFA增益控制算法?；诜答伩刂圃恚瑢?shí)時監(jiān)測EDFA輸出光信號的功率和增益，通過調(diào)整泵浦光源的驅(qū)動電流和調(diào)制頻率，實(shí)現(xiàn)對EDFA增益的精確控制，確保光信號在傳輸過程中的穩(wěn)定性和一致性。

溫度補(bǔ)償算法 ：由于衛(wèi)星EDFA系統(tǒng)在太空環(huán)境中會受到溫度變化的影響，芯片利用其內(nèi)置的溫度傳感器采集EDFA系統(tǒng)的溫度信息，并通過溫度補(bǔ)償算法對泵浦光源的驅(qū)動參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以補(bǔ)償溫度變化對EDFA性能的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

故障診斷與保護(hù)算法 ：AS32S601芯片具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外設(shè)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)對EDFA系統(tǒng)的實(shí)時故障診斷和保護(hù)功能。通過對EDFA各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測和分析，如泵浦光源的電流、電壓、光功率等，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的異常情況，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，如關(guān)閉泵浦光源、報警等，以防止系統(tǒng)故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，保障EDFA系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

（三）芯片低功耗特性在EDFA系統(tǒng)中的優(yōu)勢

在衛(wèi)星EDFA系統(tǒng)中，能源供應(yīng)有限且寶貴。AS32S601芯片的低功耗特性使其能夠在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下，顯著降低EDFA控制系統(tǒng)的能耗。通過靈活運(yùn)用芯片的多種電源管理模式，在EDFA系統(tǒng)的不同工作階段，如正常工作模式、待機(jī)模式等，合理調(diào)整芯片的功耗水平，優(yōu)化系統(tǒng)的整體能源利用效率。這不僅有助于延長衛(wèi)星的使用壽命，還能夠?yàn)樾l(wèi)星的其他關(guān)鍵系統(tǒng)提供更多的能源支持，提升整個衛(wèi)星平臺的性能和可靠性。

六、國產(chǎn)MCU芯片在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的發(fā)展前景與挑戰(zhàn)

（一）發(fā)展機(jī)遇

國產(chǎn)替代需求 ：隨著我國航天事業(yè)的快速發(fā)展以及國際貿(mào)易環(huán)境的變化，對于國產(chǎn)高可靠MCU芯片的替代需求日益迫切。AS32S601芯片作為國產(chǎn)宇航級MCU產(chǎn)品，其在衛(wèi)星EDFA等領(lǐng)域的成功應(yīng)用將有助于推動我國衛(wèi)星通信系統(tǒng)核心芯片的國產(chǎn)化進(jìn)程，降低對國外芯片產(chǎn)品的依賴，保障國家航天信息安全。

技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級 ：5G通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的發(fā)展為衛(wèi)星通信領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。這些技術(shù)的融合和應(yīng)用需要更加智能化、高性能的芯片支持，AS32S601芯片的技術(shù)特性和性能表現(xiàn)使其能夠適應(yīng)這些新興技術(shù)的需求，為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的升級和創(chuàng)新提供有力的技術(shù)支撐。

（二）面臨的挑戰(zhàn)

技術(shù)成熟度與可靠性驗(yàn)證 ：盡管AS32S601芯片在單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)中表現(xiàn)出較好的抗輻射性能，但在實(shí)際的衛(wèi)星EDFA應(yīng)用中，仍需要在更復(fù)雜的太空環(huán)境和長期運(yùn)行條件下進(jìn)行充分的技術(shù)成熟度和可靠性驗(yàn)證。這包括對芯片在不同軌道高度、不同輻射強(qiáng)度、不同溫度變化等綜合因素影響下的性能評估，以及與衛(wèi)星EDFA系統(tǒng)其他部件的兼容性和協(xié)同工作的驗(yàn)證。

市場競爭與生態(tài)建設(shè) ：在國產(chǎn)MCU芯片市場快速發(fā)展的背景下，AS32S601芯片面臨著激烈的市場競爭。為了在衛(wèi)星通信領(lǐng)域占據(jù)一席之地，需要加強(qiáng)芯片的生態(tài)建設(shè)，包括與衛(wèi)星系統(tǒng)集成商、EDFA設(shè)備制造商、高?？蒲袡C(jī)構(gòu)等建立緊密的合作關(guān)系，形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同創(chuàng)新體系。

七、結(jié)論

本文通過對AS32S601型MCU芯片的技術(shù)特性、單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)結(jié)果以及在衛(wèi)星EDFA中的應(yīng)用方案進(jìn)行深入分析和探討，得出以下結(jié)論：

AS32S601芯片具備較高的抗輻射性能，其在單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)中表現(xiàn)出的抗單粒子翻轉(zhuǎn)和鎖定能力符合企業(yè)宇航級芯片的要求，能夠滿足衛(wèi)星EDFA等高可靠空間應(yīng)用環(huán)境的需求。芯片豐富的功能特性，如強(qiáng)大的處理能力、豐富的存儲資源、多樣化的通信接口和低功耗特性等，使其能夠滿足衛(wèi)星EDFA控制系統(tǒng)在信號處理、數(shù)據(jù)傳輸、增益控制、溫度補(bǔ)償以及故障診斷等方面的應(yīng)用需求，為EDFA系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力支持。

在國產(chǎn)MCU芯片替代和衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展的背景下，AS32S601芯片在衛(wèi)星EDFA領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但同時也面臨著技術(shù)成熟度驗(yàn)證、市場競爭和生態(tài)建設(shè)等挑戰(zhàn)。

審核編輯 黃宇