摘要

星載電源遙測模塊作為航天器電源系統(tǒng)的核心感知與控制單元，其工作可靠性直接決定航天器在軌運(yùn)行的穩(wěn)定性，微控制器（MCU）作為該模塊的核心運(yùn)算器件，需在復(fù)雜空間輻射環(huán)境下保持優(yōu)異的工作性能?？臻g高能帶電粒子引發(fā)的總劑量效應(yīng)與單粒子效應(yīng)是星載MCU面臨的核心失效風(fēng)險(xiǎn)，而傳統(tǒng)閉源架構(gòu)MCU存在國產(chǎn)化程度低、場景適配性差、定制化開發(fā)難度大等問題，難以滿足商業(yè)航天對器件自主可控、高可靠性與低成本的多重需求。RISC-V開源架構(gòu)憑借可裁剪、可擴(kuò)展、低功耗的技術(shù)特性，為星載抗輻照MCU的研發(fā)提供了全新技術(shù)路徑。國科安芯AS32S601系列32位RISC-V MCU，針對航天高輻射環(huán)境采用專用抗輻照加固技術(shù)，經(jīng)脈沖激光、重離子、質(zhì)子輻照及總劑量輻照等多項(xiàng)地面模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了其優(yōu)異的抗輻照性能與工程化應(yīng)用特性。

關(guān)鍵詞 ：星載電源遙測模塊；空間輻射；抗輻照；RISC-V MCU；單粒子效應(yīng)；總劑量效應(yīng)；性能適配

一、引言

商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的快速規(guī)模化發(fā)展，推動(dòng)航天器電子系統(tǒng)向高自主可控、高可靠性、小型化、低成本方向迭代，星載電源系統(tǒng)作為航天器的“能量核心”，承擔(dān)著能量收集、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換與分配的關(guān)鍵功能，其工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與精準(zhǔn)調(diào)控是航天器在軌穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)保障。星載電源遙測模塊作為電源系統(tǒng)的感知與數(shù)據(jù)傳輸核心，需持續(xù)采集太陽能電池陣、蓄電池組、電源控制器等單元的電壓、電流、溫度、充放電狀態(tài)等關(guān)鍵參數(shù)，完成數(shù)據(jù)處理與高速傳輸，并響應(yīng)星務(wù)計(jì)算機(jī)的控制指令實(shí)現(xiàn)邏輯調(diào)控，而MCU作為該模塊的運(yùn)算與控制核心，其性能直接決定遙測模塊的采集精度、傳輸效率與工作穩(wěn)定性。

航天器在軌運(yùn)行期間，將穿越地球輻射帶、太陽宇宙射線、銀河宇宙射線等復(fù)雜空間輻射環(huán)境，高能質(zhì)子、重離子、電子等帶電粒子的持續(xù)輻照，會(huì)對半導(dǎo)體器件產(chǎn)生顯著的輻照效應(yīng)，其中總劑量效應(yīng)與單粒子效應(yīng)是導(dǎo)致星載MCU性能退化、功能失效的主要原因，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)電源遙測模塊工作中斷，進(jìn)而導(dǎo)致航天器電源系統(tǒng)失控。目前國內(nèi)部分星載電子系統(tǒng)仍依賴進(jìn)口閉源架構(gòu)MCU，不僅存在供應(yīng)鏈安全風(fēng)險(xiǎn)，且其硬件架構(gòu)與軟件生態(tài)難以根據(jù)航天場景進(jìn)行定制化開發(fā)，適配性與擴(kuò)展性受限。在此背景下，基于開源架構(gòu)的國產(chǎn)化抗輻照MCU研發(fā)成為航天電子器件領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

RISC-V作為開源精簡指令集架構(gòu)，具備指令集可裁剪、硬件架構(gòu)可擴(kuò)展、開發(fā)成本低、生態(tài)開放性強(qiáng)等優(yōu)勢，已成為嵌入式處理器領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，也為星載抗輻照MCU的國產(chǎn)化研發(fā)提供了核心技術(shù)支撐。國科安芯研制的AS32S601系列RISC-V MCU，專為商業(yè)航天、核電站等高安全、高輻射環(huán)境設(shè)計(jì)，融合Umc55工藝與先進(jìn)抗輻照加固技術(shù)，按ASIL-B功能安全等級進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)，在硬件集成度、環(huán)境適應(yīng)性、抗輻照性能等方面均展現(xiàn)出優(yōu)異的特性。

二、星載電源遙測模塊的應(yīng)用需求與空間輻射挑戰(zhàn)

2.1 星載電源遙測模塊的核心功能與性能需求

星載電源遙測模塊是航天器電源系統(tǒng)與星務(wù)計(jì)算機(jī)之間的信息交互橋梁，其功能實(shí)現(xiàn)直接影響電源系統(tǒng)的調(diào)控精度與航天器的能源利用效率，結(jié)合航天器的在軌工作特點(diǎn)，該模塊對核心控制器MCU提出了多維度的性能要求：

一是高精度、多通道的模擬量采集能力。電源遙測模塊需對太陽能電池陣的輸出電壓/電流、蓄電池組的充放電電壓/電流、各分系統(tǒng)的供電電壓/電流及環(huán)境溫度等數(shù)十個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，要求MCU集成高分辨率、多通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口（ADC），且具備穩(wěn)定的采集精度，滿足航天級參數(shù)測量的要求。

二是高速、多協(xié)議的通信能力。遙測數(shù)據(jù)需實(shí)時(shí)傳輸至星務(wù)計(jì)算機(jī)，同時(shí)接收星務(wù)計(jì)算機(jī)的控制指令，要求MCU支持CANFD、SPI、USART、IIC等星載主流通信協(xié)議，且具備較高的通信速率，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與可靠性，其中CANFD作為星載總線的主流協(xié)議，是MCU通信接口的核心配置要求。

三是高可靠的存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)處理能力。空間輻射易引發(fā)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，要求MCU的存儲(chǔ)模塊具備錯(cuò)誤檢測與修正能力，同時(shí)需具備較高的運(yùn)算頻率，快速完成采集數(shù)據(jù)的處理、解析與打包，滿足遙測模塊的實(shí)時(shí)性需求。

四是寬環(huán)境適應(yīng)性。航天器在軌運(yùn)行的溫度范圍為-55℃~+125℃，電源系統(tǒng)存在一定的電壓波動(dòng)，要求MCU能在寬溫、寬電壓條件下穩(wěn)定工作，且具備良好的抗振動(dòng)、抗沖擊特性，適配航天器的發(fā)射與在軌工作環(huán)境。

五是小型化與低功耗特性。航天器的載荷資源與能源資源均十分有限，要求MCU采用緊湊封裝形式，減小硬件占用空間，同時(shí)在保證性能的前提下實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行，降低遙測模塊的能源消耗。

六是高自主可控性。作為航天核心器件，MCU的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)需實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，避免供應(yīng)鏈卡脖子風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)其軟件生態(tài)需具備開放性，便于進(jìn)行定制化開發(fā)與系統(tǒng)集成。

2.2 星載電源遙測模塊面臨的空間輻射效應(yīng)挑戰(zhàn)

空間高能帶電粒子與半導(dǎo)體器件的相互作用，會(huì)引發(fā)兩類核心輻照效應(yīng)，即總劑量效應(yīng)（TID）與單粒子效應(yīng)（SEE），兩類效應(yīng)均會(huì)對MCU的工作性能產(chǎn)生顯著影響，也是星載電源遙測模塊MCU設(shè)計(jì)與選型需重點(diǎn)考量的核心因素，相關(guān)效應(yīng)的測試與評價(jià)均遵循國家軍用標(biāo)準(zhǔn)與宇航專用標(biāo)準(zhǔn)。

總劑量效應(yīng)是由電離輻射的累積作用引發(fā)的器件性能退化現(xiàn)象，高能粒子的電離作用會(huì)在半導(dǎo)體器件的氧化層中產(chǎn)生大量陷阱電荷與界面態(tài)，導(dǎo)致器件的閾值電壓漂移、漏電流增大、放大倍數(shù)下降，最終引發(fā)電路邏輯錯(cuò)誤、功能退化甚至完全失效。星載半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)抗總劑量要求一般不低于100krad(Si)，而中長期航天任務(wù)與深空探測任務(wù)，因輻射劑量累積更多，對器件的抗總劑量能力要求更高。星載電源遙測模塊的MCU若受總劑量效應(yīng)影響出現(xiàn)性能退化，會(huì)導(dǎo)致參數(shù)采集精度下降、通信速率降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)模塊工作中斷。

單粒子效應(yīng)是由單個(gè)高能帶電粒子撞擊半導(dǎo)體器件的敏感區(qū)域，引發(fā)局部電離產(chǎn)生電荷團(tuán)，進(jìn)而導(dǎo)致器件的邏輯狀態(tài)改變、電流驟增的現(xiàn)象，主要包括單粒子鎖定（SEL）、單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）、單粒子燒毀（SEB）、單粒子功能中斷（SEFI）等類型。其中SEL會(huì)導(dǎo)致器件的電源電流驟增，若不及時(shí)斷電，會(huì)造成器件永久燒毀，是星載器件的致命失效模式；SEU會(huì)引發(fā)存儲(chǔ)單元或邏輯電路的狀態(tài)錯(cuò)誤，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、程序跑飛，是星載電子系統(tǒng)突發(fā)故障的主要誘因。星載電源遙測模塊的MCU若發(fā)生SEU，會(huì)導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、控制指令執(zhí)行偏差；若發(fā)生SEL，會(huì)直接導(dǎo)致模塊完全失效，進(jìn)而影響航天器電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

此外，近地軌道的輻射環(huán)境以質(zhì)子為主，而銀河宇宙射線與太陽宇宙射線則包含大量高LET值的重離子，不同類型的帶電粒子對MCU的輻照效應(yīng)存在差異，要求星載MCU需同時(shí)具備良好的抗質(zhì)子輻照與抗重離子輻照能力，才能滿足不同軌道、不同任務(wù)類型的應(yīng)用需求。

三、AS32S601系列RISC-V MCU的核心技術(shù)特性

AS32S601系列（含AS32S601ZIT2）是國科安芯針對高安全、高輻射環(huán)境研制的國產(chǎn)化32位RISC-V MCU，依托Umc55工藝平臺(tái)，融合專用抗輻照加固技術(shù)，按ASIL-B功能安全等級完成硬件與軟件設(shè)計(jì)，兼具高集成度、高可靠性、寬環(huán)境適應(yīng)性與低成本特性，其核心技術(shù)特性與星載電源遙測模塊的應(yīng)用需求高度契合，為星載場景的工程化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.1 架構(gòu)與安全設(shè)計(jì)特性

該系列MCU基于純開源RISC-V指令集開發(fā)，擺脫了傳統(tǒng)閉源架構(gòu)的技術(shù)限制，指令集可根據(jù)星載電源遙測模塊的應(yīng)用需求進(jìn)行靈活裁剪與擴(kuò)展，去除冗余指令，優(yōu)化硬件資源配置，有效提升運(yùn)算效率，降低軟件冗余與系統(tǒng)功耗。同時(shí)，ASIL-B功能安全等級設(shè)計(jì)從硬件與軟件雙層面構(gòu)建了可靠的安全防護(hù)體系，硬件層面采用冗余設(shè)計(jì)、錯(cuò)誤檢測電路，軟件層面集成故障診斷與容錯(cuò)算法，有效避免因器件內(nèi)部邏輯錯(cuò)誤、外部干擾引發(fā)的功能失效，滿足星載電子系統(tǒng)的功能安全要求。針對空間輻射環(huán)境，該系列MCU采用了專用的抗輻照加固技術(shù)，對器件的核心敏感區(qū)域（如存儲(chǔ)單元、邏輯電路、輸入輸出接口）進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過摻雜優(yōu)化、介質(zhì)層加固、版圖設(shè)計(jì)優(yōu)化等方式，從底層抑制輻照效應(yīng)的產(chǎn)生，提升器件的抗輻照能力。

3.2 硬件性能與外設(shè)集成特性

在核心運(yùn)算與存儲(chǔ)方面，該系列MCU的工作頻率最高可達(dá)180MHz，能夠快速完成星載電源遙測模塊的采集數(shù)據(jù)處理、解析與通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，滿足模塊的實(shí)時(shí)性需求；存儲(chǔ)配置上集成512KiB內(nèi)部SRAM、512KiB D-Flash、2MiB P-Flash，且所有存儲(chǔ)模塊均配備ECC（錯(cuò)誤檢查與糾正）校驗(yàn)功能，可有效檢測并修正單粒子翻轉(zhuǎn)引發(fā)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，保證遙測數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性，從硬件層面解決了單粒子翻轉(zhuǎn)對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的影響。

在外設(shè)接口方面，該系列MCU具備高度的集成性，完全匹配星載電源遙測模塊的外設(shè)需求：集成3個(gè)12位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），最多支持48通道模擬通路，可實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)多測點(diǎn)參數(shù)的同步采集，無需額外擴(kuò)展采集芯片，簡化了遙測模塊的硬件設(shè)計(jì)；配備2個(gè)8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）與1個(gè)片上溫度傳感器，可實(shí)現(xiàn)模擬量輸出與模塊內(nèi)部環(huán)境溫度的自檢測，提升模塊的自監(jiān)控能力；通信接口豐富，包含6路SPI（最高通信速率30MHz）、4路CAN（原生支持CANFD協(xié)議）、4路USART（支持LIN模式、同步串口模式）、2路IIC，可靈活適配星載電源遙測模塊與星務(wù)計(jì)算機(jī)、電源控制器之間的通信需求，實(shí)現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)與控制指令的高速、可靠傳輸；IO接口具備多檔位驅(qū)動(dòng)能力，支持4.5mA/9mA/13.5mA/18mA可調(diào)，輸入輸出漏電電流控制在±10μA以內(nèi)，兼顧了驅(qū)動(dòng)能力與低功耗特性，可靈活適配不同類型的傳感器、執(zhí)行器與通信模塊。

在電氣特性方面，該系列MCU的工作輸入電壓范圍為2.7V5.5V，核供電電壓為1.08V1.32V，模擬供電電壓為2.97V~3.63V，可適配星載電源系統(tǒng)的電壓波動(dòng)，無需額外設(shè)計(jì)復(fù)雜的穩(wěn)壓電路，簡化了遙測模塊的電源設(shè)計(jì)；芯片采用LQFP144封裝工藝，芯片物理尺寸為3959μm×3959μm，封裝緊湊，占用空間小，適配星載設(shè)備的小型化、輕量化需求。

3.3 環(huán)境與工程化特性

該系列MCU的工作溫度范圍為-55℃~+125℃，完全覆蓋航天器在軌運(yùn)行的全溫范圍，可適應(yīng)航天器在光照區(qū)與陰影區(qū)的劇烈溫度變化，且通過了AEC-Q100 grade1認(rèn)證，具備良好的溫度循環(huán)特性與環(huán)境穩(wěn)定性；在工程化應(yīng)用方面，該系列MCU實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的全流程國產(chǎn)化，自主可控程度高，有效規(guī)避了進(jìn)口器件的供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)，且相較于傳統(tǒng)的航天級專用MCU，其研發(fā)與生產(chǎn)成本更低，適配商業(yè)航天的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展需求；同時(shí)，該器件兼容主流的嵌入式開發(fā)環(huán)境與工具鏈，開發(fā)人員可基于現(xiàn)有技術(shù)體系進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試與系統(tǒng)集成，降低了工程化開發(fā)的技術(shù)門檻與學(xué)習(xí)成本，便于快速實(shí)現(xiàn)與星載電源遙測模塊的硬件集成與軟件適配。

四、AS32S601系列MCU的抗輻照性能試驗(yàn)驗(yàn)證

為全面評估AS32S601系列MCU的抗輻照能力，驗(yàn)證其在空間輻射環(huán)境下的工作可靠性，相關(guān)檢測機(jī)構(gòu)依據(jù)GB/T43967-2024、GJB548C-2023、QJ10004A-2018、QJ10005A-2018等國家軍用標(biāo)準(zhǔn)與宇航專用標(biāo)準(zhǔn)，開展了脈沖激光模擬單粒子效應(yīng)試驗(yàn)、重離子輻照單粒子效應(yīng)試驗(yàn)、質(zhì)子輻照單粒子效應(yīng)試驗(yàn)及鈷60γ射線總劑量效應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)覆蓋了空間輻射環(huán)境的主要粒子類型與核心輻照效應(yīng)，試驗(yàn)儀器設(shè)備均在檢定或計(jì)量有效期內(nèi)，試驗(yàn)過程規(guī)范，數(shù)據(jù)真實(shí)有效，充分驗(yàn)證了該系列MCU的優(yōu)異抗輻照性能。

4.1 單粒子效應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證

單粒子效應(yīng)試驗(yàn)主要驗(yàn)證MCU在高能帶電粒子輻照下的抗單粒子鎖定、單粒子翻轉(zhuǎn)等能力，分別通過脈沖激光模擬、重離子輻照、質(zhì)子輻照三種方式，從實(shí)驗(yàn)室模擬、重離子環(huán)境、質(zhì)子環(huán)境三個(gè)維度進(jìn)行全面驗(yàn)證，試驗(yàn)均采用器件正常工作的偏置條件，實(shí)時(shí)監(jiān)測器件的工作電流、功能狀態(tài)與數(shù)據(jù)傳輸情況。

脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗(yàn)在中關(guān)村B481脈沖激光單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)室開展，采用皮秒脈沖激光正面輻照方式，激光能量等效LET值覆蓋5~75MeV·cm2/mg，激光注量設(shè)定為1×10?cm?2。AS32S601型MCU在5V工作條件下，從初始激光能量120pJ（對應(yīng)LET值5±1.25MeV·cm2/mg）逐步提升至1585pJ（對應(yīng)LET值75±16.25MeV·cm2/mg）的過程中，始終保持正常工作狀態(tài)，未出現(xiàn)任何單粒子效應(yīng)，工作電流穩(wěn)定在100mA；當(dāng)激光能量提升至1830pJ（對應(yīng)LET值75±18.75MeV·cm2/mg）時(shí)，器件出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但未發(fā)生單粒子鎖定，且其存儲(chǔ)模塊的ECC校驗(yàn)功能可有效修正該翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系列MCU對低、中LET值的高能粒子具有優(yōu)異的抗單粒子能力，僅在極高LET值粒子輻照下出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)，且具備有效的錯(cuò)誤修正能力。

重離子輻照單粒子效應(yīng)試驗(yàn)由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心可靠性與環(huán)境試驗(yàn)中心完成，采用449.2MeV Kr離子作為輻照源，硅中LET值為37.9MeV·cm2/mg，輻照總注量為1×10?ion/cm2。試驗(yàn)采用板級12V供電，經(jīng)DC-DC電源芯片與LDO穩(wěn)壓至3.3V為MCU供電，試驗(yàn)過程中，MCU的工作電流始終穩(wěn)定在78mA，未出現(xiàn)電流驟增現(xiàn)象，且數(shù)據(jù)傳輸、邏輯運(yùn)算功能均保持正常，未發(fā)生單粒子鎖定現(xiàn)象，判定其單粒子鎖定LET閾值高于37.9MeV·cm2/mg，滿足星載低、中LET值重離子輻射環(huán)境的應(yīng)用需求。

質(zhì)子輻照單粒子效應(yīng)試驗(yàn)在中國原子能科學(xué)研究院開展，采用100MeV質(zhì)子回旋加速器作為輻照源，注量率為1×10?cm?2·s?1，總注量為1×101?cm?2，該注量遠(yuǎn)高于近地軌道航天器的在軌質(zhì)子輻照注量。試驗(yàn)后，MCU的功能狀態(tài)保持正常，CANFD通信接口正常實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，F(xiàn)lash與RAM的擦寫、讀取功能均無異常，未出現(xiàn)任何單粒子效應(yīng)，驗(yàn)證了該系列MCU對近地軌道主要輻射源——質(zhì)子的優(yōu)異耐受性。

4.2 總劑量效應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證

總劑量效應(yīng)試驗(yàn)在北京大學(xué)技術(shù)物理系鈷源平臺(tái)開展，采用鈷60γ射線源作為輻照源，輻射場在試驗(yàn)樣品輻照面積內(nèi)的不均勻性小于10%，劑量測量不確定度小于5%，試驗(yàn)嚴(yán)格遵循QJ10004A-2018《宇航用半導(dǎo)體器件總劑量輻照試驗(yàn)方法》。試驗(yàn)對AS32S601ZIT2型MCU進(jìn)行50%過輻照測試，基礎(chǔ)抗總劑量要求為100krad(Si)，實(shí)際輻照總劑量為150krad(Si)，劑量率設(shè)定為25rad(Si)/s，試驗(yàn)過程中為器件施加3.3V靜態(tài)偏置，模擬其正常工作狀態(tài)。輻照完成后，對器件進(jìn)行168h高溫退火處理，并開展電參數(shù)與功能全面測試，結(jié)果顯示：器件的工作電流始終穩(wěn)定在0.135A左右，僅從輻照前的135mA微降至132mA，無明顯變化；CAN通信接口正常實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，F(xiàn)lash與RAM的擦寫、讀取功能均保持正常，無性能退化現(xiàn)象；器件外觀無明顯損傷，退火后的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)結(jié)果判定，AS32S601ZIT2型MCU的抗總劑量輻照指標(biāo)大于150krad(Si)，遠(yuǎn)高于星載器件的基礎(chǔ)要求，可適應(yīng)近地軌道、太陽同步軌道等典型軌道的中長期輻射劑量累積需求。

五、AS32S601系列MCU與星載電源遙測模塊的多維度性能適配性

星載電源遙測模塊對MCU的功能、抗輻照、環(huán)境、軟件、工程化等方面均提出了嚴(yán)苛要求，AS32S601系列MCU通過針對性的硬件設(shè)計(jì)、抗輻照加固與架構(gòu)優(yōu)化，在各維度均與星載電源遙測模塊實(shí)現(xiàn)高度適配，能夠充分滿足模塊的在軌工作需求，是星載電源遙測模塊MCU國產(chǎn)化選型的優(yōu)質(zhì)方案。

5.1 硬件功能的精準(zhǔn)適配

星載電源遙測模塊的核心功能是多測點(diǎn)參數(shù)采集與高速多協(xié)議通信，AS32S601系列MCU的高集成度外設(shè)資源實(shí)現(xiàn)了與該功能需求的精準(zhǔn)適配。48通道12位ADC可直接實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)太陽能電池陣、蓄電池組、各分系統(tǒng)等數(shù)十個(gè)測點(diǎn)的電壓、電流、溫度等模擬量的高精度同步采集，無需額外擴(kuò)展外部采集芯片，不僅簡化了遙測模塊的硬件電路設(shè)計(jì)，還減小了模塊的體積與功耗，提升了硬件集成度；原生支持CANFD協(xié)議的4路CAN接口，可直接適配星載CANFD總線架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)與控制指令的高速、可靠傳輸，30MHz的SPI接口與多路USART、IIC接口，可靈活實(shí)現(xiàn)與模塊內(nèi)傳感器、存儲(chǔ)芯片、通信模塊的互聯(lián)，滿足多設(shè)備的通信需求；ECC校驗(yàn)的存儲(chǔ)模塊可有效檢測并修正單粒子翻轉(zhuǎn)引發(fā)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，保證采集數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性，避免因數(shù)據(jù)錯(cuò)誤導(dǎo)致的電源系統(tǒng)調(diào)控偏差；多檔位可調(diào)的IO驅(qū)動(dòng)能力，可靈活適配不同類型的傳感器與執(zhí)行器，提升了MCU與周邊器件的兼容性，降低了模塊的硬件選型與集成難度。

5.2 抗輻照性能的場景適配

該系列MCU的抗輻照性能與星載電源遙測模塊的在軌輻射環(huán)境實(shí)現(xiàn)了高度場景適配。抗總劑量輻照指標(biāo)大于150krad(Si)，遠(yuǎn)高于星載器件100krad(Si)的基礎(chǔ)要求，可適應(yīng)近地軌道、太陽同步軌道等典型軌道的中長期航天任務(wù)，即使在輻射劑量較高的軌道環(huán)境中，也能保持穩(wěn)定的工作性能，避免因總劑量效應(yīng)引發(fā)的性能退化；單粒子鎖定LET閾值高于37.9MeV·cm2/mg，在星載環(huán)境中常見的低、中LET值重離子與質(zhì)子輻照下，無單粒子鎖定風(fēng)險(xiǎn)，從根本上規(guī)避了器件的致命失效模式，而在極高LET值粒子輻照下僅出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)，且ECC存儲(chǔ)可實(shí)現(xiàn)有效錯(cuò)誤修正，保證了模塊的連續(xù)工作能力；對100MeV質(zhì)子的優(yōu)異耐受性，精準(zhǔn)匹配了近地軌道以質(zhì)子為主的輻射環(huán)境，有效降低了質(zhì)子輻照引發(fā)的故障風(fēng)險(xiǎn)。整體而言，該系列MCU的抗輻照性能可全面覆蓋星載電源遙測模塊的在軌輻射環(huán)境需求，為模塊的在軌穩(wěn)定工作提供了核心保障。

5.3 環(huán)境特性的全面適配

AS32S601系列MCU的環(huán)境特性完全匹配星載電源遙測模塊的在軌工作環(huán)境。-55℃+125℃的寬溫工作范圍，可適應(yīng)航天器在光照區(qū)與陰影區(qū)的劇烈溫度變化，無需額外設(shè)計(jì)溫度控制電路，簡化了遙測模塊的熱設(shè)計(jì)；2.7V5.5V的寬電壓工作范圍，可直接適配星載電源系統(tǒng)的電壓輸出波動(dòng)，兼容模塊內(nèi)的3.3V、5V供電體系，無需額外設(shè)計(jì)復(fù)雜的穩(wěn)壓電路，簡化了模塊的電源設(shè)計(jì)；LQFP144的緊湊封裝與3959μm×3959μm的芯片尺寸，有效減小了MCU在模塊中的硬件占用空間，適配星載設(shè)備的小型化、輕量化需求，同時(shí)緊湊的封裝形式也提升了器件的抗振動(dòng)、抗沖擊特性，可適應(yīng)航天器發(fā)射階段的惡劣力學(xué)環(huán)境。

5.4 軟件與工程化的開發(fā)適配

在軟件架構(gòu)方面，RISC-V開源指令集為星載電源遙測模塊的定制化開發(fā)提供了便利，AS32S601系列MCU可根據(jù)模塊的功能需求，對指令集進(jìn)行靈活裁剪與擴(kuò)展，去除冗余指令，優(yōu)化程序運(yùn)行效率，同時(shí)可基于開源生態(tài)進(jìn)行專用算法與驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，提升模塊的個(gè)性化適配能力；ASIL-B功能安全等級的軟件設(shè)計(jì)，集成了故障診斷、容錯(cuò)處理與程序自恢復(fù)功能，可有效避免因程序跑飛、死循環(huán)引發(fā)的模塊工作中斷，提升了軟件層面的可靠性；該器件兼容主流的嵌入式開發(fā)環(huán)境與工具鏈，如Keil、RT-Thread等，開發(fā)人員可基于現(xiàn)有技術(shù)體系進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試與仿真，無需重新學(xué)習(xí)新的開發(fā)平臺(tái)，降低了工程化開發(fā)的技術(shù)門檻與學(xué)習(xí)成本。

在工程化應(yīng)用方面，該系列MCU的全流程國產(chǎn)化特性，有效規(guī)避了進(jìn)口器件的供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)，提升了星載電源遙測模塊的自主可控程度；其低成本特性相較于傳統(tǒng)航天級專用MCU，大幅降低了模塊的研發(fā)與生產(chǎn)成本，適配商業(yè)航天的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展需求；同時(shí)，該器件的硬件設(shè)計(jì)具備良好的兼容性，可直接替代部分進(jìn)口MCU，無需對星載電源遙測模塊的硬件電路進(jìn)行大幅修改，實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)有模塊設(shè)計(jì)的無縫銜接，提升了工程化集成效率。

六、AS32S601系列MCU的工程應(yīng)用場景與拓展價(jià)值

AS32S601系列RISC-V MCU憑借優(yōu)異的抗輻照性能、高集成度的硬件特性、良好的環(huán)境適應(yīng)性與全方位的星載電源遙測模塊適配性，不僅在星載電源遙測模塊中具備核心應(yīng)用價(jià)值，還可拓展應(yīng)用于航天器多類電子系統(tǒng)，并在地面高輻射環(huán)境中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，其工程化應(yīng)用不僅能推動(dòng)星載電子器件的國產(chǎn)化升級，還能促進(jìn)RISC-V架構(gòu)在高輻射環(huán)境嵌入式領(lǐng)域的發(fā)展。

6.1 星載電源遙測模塊的核心工程應(yīng)用

在星載電源遙測模塊中，該系列MCU可作為核心控制器件，直接替代傳統(tǒng)進(jìn)口閉源MCU，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)多參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、處理、傳輸與邏輯控制。其48通道高精度ADC可滿足多測點(diǎn)參數(shù)采集需求，提升模塊的采集覆蓋范圍與精度；CANFD等多通信接口可實(shí)現(xiàn)與星務(wù)計(jì)算機(jī)、電源控制器的高速數(shù)據(jù)交互，保證遙測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與控制指令的精準(zhǔn)執(zhí)行；ECC存儲(chǔ)與抗輻照加固技術(shù)可有效抵御空間輻射效應(yīng)，保證模塊在復(fù)雜輻射環(huán)境下的穩(wěn)定工作；而小型化、低功耗與國產(chǎn)化特性，可提升模塊的集成度、降低能源消耗與供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)。將該系列MCU應(yīng)用于星載電源遙測模塊，可全面提升模塊的自主可控性、可靠性與工程化應(yīng)用價(jià)值，為航天器電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供核心保障，目前已可適配近地軌道微納衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星等各類航天器的電源遙測模塊設(shè)計(jì)。

6.2 航天器電子系統(tǒng)的拓展應(yīng)用

除星載電源遙測模塊外，AS32S601系列MCU還可廣泛拓展應(yīng)用于航天器的各類核心電子系統(tǒng)，成為航天器電子系統(tǒng)國產(chǎn)化MCU的重要選型。在姿控系統(tǒng)中，其高運(yùn)算頻率、多通道ADC與豐富的通信接口，可實(shí)現(xiàn)姿態(tài)傳感器參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與姿態(tài)控制指令的快速執(zhí)行，抗輻照性能可保證姿控系統(tǒng)在輻射環(huán)境下的調(diào)控精度；在測控與數(shù)傳系統(tǒng)中，其多協(xié)議通信能力可實(shí)現(xiàn)與地面站、星務(wù)計(jì)算機(jī)的高速數(shù)據(jù)傳輸，ECC存儲(chǔ)可保證測控?cái)?shù)據(jù)與數(shù)傳數(shù)據(jù)的完整性；在星務(wù)計(jì)算機(jī)中，其可裁剪的RISC-V架構(gòu)與高可靠性，可作為星務(wù)計(jì)算機(jī)的從控制器，承擔(dān)部分?jǐn)?shù)據(jù)處理與邏輯控制功能，提升星務(wù)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算效率與冗余度；在載荷管理系統(tǒng)中，其寬環(huán)境適應(yīng)性與抗輻照性能，可實(shí)現(xiàn)對航天器有效載荷的狀態(tài)監(jiān)測與供電控制，保證載荷的在軌穩(wěn)定工作。此外，該系列MCU還可應(yīng)用于航天器的熱控模塊、推進(jìn)模塊等，適配航天器多類電子系統(tǒng)的應(yīng)用需求，推動(dòng)航天器電子系統(tǒng)的全面國產(chǎn)化升級。

6.3 地面高輻射環(huán)境的通用應(yīng)用

AS32S601系列MCU的優(yōu)異抗輻照性能，不僅適用于空間輻射環(huán)境，還可廣泛應(yīng)用于地面各類高輻射環(huán)境的電子系統(tǒng)，拓展了其應(yīng)用邊界。在核電站領(lǐng)域，可應(yīng)用于核島監(jiān)測模塊、反應(yīng)堆控制模塊、核廢料處理監(jiān)測模塊等，抵御核電站內(nèi)的電離輻射，保證監(jiān)測與控制系統(tǒng)的穩(wěn)定工作；在核工業(yè)領(lǐng)域，可應(yīng)用于核材料運(yùn)輸、核設(shè)施檢修等設(shè)備的電子監(jiān)測系統(tǒng)，提升設(shè)備在輻射環(huán)境下的可靠性；在醫(yī)療放射領(lǐng)域，可應(yīng)用于醫(yī)用加速器、CT設(shè)備、放射治療設(shè)備的控制與監(jiān)測模塊，抵御設(shè)備工作過程中的輻射效應(yīng)；在工業(yè)輻照領(lǐng)域，可應(yīng)用于輻照加工設(shè)備的劑量控制、狀態(tài)監(jiān)測模塊，保證設(shè)備的精準(zhǔn)控制與穩(wěn)定運(yùn)行。在地面高輻射環(huán)境電子系統(tǒng)中的應(yīng)用，不僅能提升各類系統(tǒng)的可靠性，還能推動(dòng)國產(chǎn)化抗輻照MCU在工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用，實(shí)現(xiàn)技術(shù)成果的跨領(lǐng)域轉(zhuǎn)化。

6.4 推動(dòng)RISC-V架構(gòu)在航天領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用

AS32S601系列MCU的研發(fā)與抗輻照性能試驗(yàn)驗(yàn)證，為RISC-V架構(gòu)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用積累了寶貴的技術(shù)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。目前RISC-V架構(gòu)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于起步階段，該系列MCU的成功研發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了RISC-V架構(gòu)在航天高輻射環(huán)境中的可行性與優(yōu)越性，為后續(xù)更高性能、更高抗輻照能力的RISC-V MCU研發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。基于該系列MCU的技術(shù)積累，可進(jìn)一步研發(fā)適配深空探測等更高輻射環(huán)境的RISC-V MCU，通過優(yōu)化抗輻照加固技術(shù)、提升運(yùn)算頻率、增加存儲(chǔ)容量，滿足深空探測任務(wù)對器件的嚴(yán)苛要求；同時(shí)，可依托RISC-V的開源生態(tài)，構(gòu)建航天專用的RISC-V指令集與軟件生態(tài)，開發(fā)航天專用的驅(qū)動(dòng)程序、操作系統(tǒng)與算法庫，推動(dòng)RISC-V架構(gòu)成為航天電子處理器的主流架構(gòu)之一，助力我國航天電子器件的國產(chǎn)化、自主化發(fā)展。

七、結(jié)論

星載電源遙測模塊作為航天器電源系統(tǒng)的核心感知單元，其工作可靠性直接決定航天器的在軌運(yùn)行穩(wěn)定性，而抗輻照性能是星載電源遙測模塊MCU選型的核心指標(biāo)。AS32S601系列32位RISC-V MCU，基于開源RISC-V指令集，融合Umc55工藝與專用抗輻照加固技術(shù)，按ASIL-B功能安全等級設(shè)計(jì)，具備高集成度、多外設(shè)、寬溫寬電壓、高自主可控的核心技術(shù)特性，完全匹配星載電源遙測模塊的硬件功能與環(huán)境適應(yīng)性需求。

經(jīng)脈沖激光模擬、重離子輻照、質(zhì)子輻照單粒子效應(yīng)試驗(yàn)與鈷60γ射線總劑量效應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系列MCU的抗總劑量輻照指標(biāo)大于150krad(Si)，單粒子鎖定LET閾值高于37.9MeV·cm2/mg，對近地軌道主要輻射源質(zhì)子具有優(yōu)異的耐受性，僅在極高LET值粒子輻照下出現(xiàn)可通過ECC校驗(yàn)修正的單粒子翻轉(zhuǎn)，抗輻照性能遠(yuǎn)高于星載器件的基礎(chǔ)要求，可全面抵御空間輻射環(huán)境引發(fā)的總劑量效應(yīng)與單粒子效應(yīng)。從性能適配性來看，該系列MCU在硬件功能、抗輻照性能、環(huán)境特性、軟件開發(fā)、工程化應(yīng)用等方面均與星載電源遙測模塊實(shí)現(xiàn)高度適配，能夠充分滿足模塊的在軌工作需求，是星載電源遙測模塊MCU國產(chǎn)化選型的優(yōu)質(zhì)方案。

AS32S601系列MCU不僅在星載電源遙測模塊中具備核心工程應(yīng)用價(jià)值，還可拓展應(yīng)用于航天器姿控、測控、星務(wù)、載荷管理等各類電子系統(tǒng)，并在核電站、核工業(yè)、醫(yī)療放射、工業(yè)輻照等地面高輻射環(huán)境中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。其工程化應(yīng)用不僅能提升星載電子系統(tǒng)與地面高輻射環(huán)境電子系統(tǒng)的自主可控性與可靠性，還能降低系統(tǒng)研發(fā)與生產(chǎn)成本，適配商業(yè)航天的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展需求。同時(shí)，該系列MCU的研發(fā)與驗(yàn)證，為RISC-V架構(gòu)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用積累了重要的技術(shù)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)了我國航天電子器件的國產(chǎn)化升級，為后續(xù)深空探測等更高要求航天任務(wù)的器件研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

未來，可進(jìn)一步針對深空探測等更高輻射環(huán)境，優(yōu)化AS32S601系列MCU的抗輻照加固技術(shù)，提升其在更高LET值粒子輻照下的抗單粒子能力；同時(shí)依托RISC-V開源生態(tài)，開發(fā)航天專用的指令集與軟件算法，進(jìn)一步提升其在星載電源遙測模塊中的工作效率與可靠性；此外，可推動(dòng)該系列MCU的產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，拓展其在商業(yè)航天、地面高輻射環(huán)境的規(guī)?；瘧?yīng)用，為我國航天事業(yè)與高端制造業(yè)的發(fā)展提供更加強(qiáng)勁的國產(chǎn)化器件支撐。

審核編輯 黃宇