空间站机械臂中MCU与CANFD抗辐照芯片的集成研究

摘要 ：空间站机械臂作为在轨构建与维护的核心执行机构，其控制系统的可靠性直接取决于抗辐照集成电路的性能表现。本文以国科安芯推出的AS32S601型MCU与ASM1042S2S型CANFD收发器为例，讨论其在商业航天级应用中的抗辐照特性与集成设计方案。基于质子加速器单粒子效应试验、钴源总剂量效应试验及脉冲激光等效模拟试验数据，分析了两款器件在100 MeV质子辐照、150 krad(Si)总剂量及37.4 MeV·cm²/mg重离子环境下的失效机理与阈值特征。本文进一步探讨了机械臂分布式控制系统中MCU与CANFD芯片的协同架构设计，为未来深空探测与长期在轨服务任务提供了技术参考。

关键词 ：空间站机械臂；抗辐照芯片；单粒子效应；总剂量效应；CANFD通信；MCU集成

1. 引言

空间站机械臂系统作为空间基础设施在轨装配、载荷照料与故障处置的关键装备，其电子控制系统长期暴露于复杂的辐射环境中，面临银河宇宙射线、太阳质子事件及南大西洋异常区捕获质子等多维度辐照威胁。控制单元（MCU）与现场总线收发器作为机械臂关节驱动与指令传输的核心器件，其抗辐照能力直接决定了任务执行的可靠性与安全性。传统宇航级器件虽具备一定的抗辐照性能，但在面对新型辐射环境模型时仍需进行系统性评估。近年来，基于RISC-V架构的抗辐照加固MCU与符合AEC-Q100标准的CANFD收发器，通过地面模拟试验验证与在轨应用考核，逐步成为商业航天级电子系统的重要选型对象。

AS32S601型MCU与ASM1042S2S型CANFD收发器作为国产商业航天级芯片的典型代表，已在高光谱遥感卫星TY29与光学遥感卫星TY35中实现成功应用。本文基于多份试验报告数据，系统梳理两款器件的辐照效应特性，深入分析其在空间站机械臂控制系统中的集成架构与冗余设计方案，旨在为新一代空间机械臂电子系统研制提供技术依据与参考范式。

2. 器件特征与功能架构

2.1 AS32S601型MCU技术特性

AS32S601型MCU是一款基于32位RISC-V指令集架构的微控制器，主频达180 MHz，工作电压支持2.7 V5.5 V宽范围输入，适用于-55125℃的宽温工作环境。该器件采用LQFP144封装形式，内部集成2 MiB P-Flash、512 KiB D-Flash及512 KiB SRAM，均配备ECC纠错机制，符合ASIL-B功能安全等级设计要求。其外设资源丰富，包含3个12位ADC（48通道）、2个ACMP、2个DAC、6路SPI、4路CANFD、4路USART及2路IIC接口，为多自由度机械臂的传感器采集、运动控制与通信调度提供了硬件基础。

从结构布局分析，该MCU采用存储区与外围电路分离式设计，Flash与SRAM区域占据主要芯片面积，时钟树与IO驱动电路分布在管芯边缘。电特性参数表明，IO驱动模式支持4.5 mA、9 mA、13.5 mA与18 mA四档配置，输入上拉/下拉电阻典型值为48 kΩ，模拟模式电阻为50 Ω，漏电流控制在±10 μA范围内。此类参数为辐照环境下的功耗稳定性与信号完整性提供了设计裕度。

2.2 ASM1042S2S型CANFD收发器技术特性

ASM1042S2S型CANFD收发器支持最高5 Mbps数据速率，具备I/O电平辅助电源输入引脚，可灵活配置输入阈值与RXD输出电平，满足多电压域系统的互联需求。该器件采用SOP8L封装，集成待机模式与远程唤醒功能，显性功耗典型值为70 mA（Normal mode），隐性功耗降至2.5 mA，待机模式功耗仅5 μA，适用于低功耗在轨任务场景。

电特性测试数据显示，CANH与CANL总线输出电压在显性状态下为1.5~3 V差分电平，隐性状态下对称性偏差小于±50 mV，共模抑制能力强。环路延时典型值为160 ns（隐性转显性）与110 ns（显性转隐性），确保高速通信的实时性。欠压保护阈值为4.2 V（上升）与3.8 V（下降），滞回电压200 mV，可有效防止电源波动导致的通信异常。

3. 抗辐照效应试验评估

3.1 质子单粒子效应试验

3.1.1 试验条件与判定标准

单粒子效应（Single Event Effect, SEE）试验在中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器上进行，注量率覆盖5×10⁵5×10⁹ p·cm⁻²·s⁻¹范围，辐照面积20 cm×20 cm。依据《宇航用半导体器件质子单粒子实验方法》，AS32S601与ASM1042S2S均选取100 MeV质子能量，注量率设定为1×10⁷ p·cm⁻²·s⁻¹，累积注量达1×10¹⁰ p·cm⁻²。试验环境控制在温度1535℃、相对湿度20%~80%，静电防护符合GB/T 32304标准。

3.1.2 AS32S601型MCU试验结果

试验报告编号2025-ZZ-BG-005显示，AS32S601型MCU在100 MeV质子辐照下，工作电流稳定在135 mA（供电电压5 V），未出现单粒子锁定（SEL）或单粒子翻转（SEU）现象。试验期间CAN接口通信正常，Flash与RAM擦写功能无异常，数据记录文件名为"Data"，完整覆盖了辐照全过程的寄存器状态与内存校验结果。试验结论明确其抗质子单粒子效应能力合格，为空间站机械臂控制算法在轨稳定执行提供了基础保障。

3.1.3 ASM1042S2S型CANFD收发器试验结果

ASM1042S2S在同等质子条件下的试验（报告编号2025-ZZ-BG-004）表明，器件5V工作电流保持约8 mA，未观测到锁定现象。USBCAN-FD分析仪以5 Mbps数据速率持续收发，通道1发送54328帧、接收54333帧，通道2发送54333帧、接收54328帧，误帧率为零。试验数据证实其质子SEE阈值大于当前试验条件，满足机械臂关节间高速数据总线的抗辐照要求。

3.2 总剂量效应试验

3.2.1 试验方法与剂量率选择

总剂量效应（Total Ionizing Dose, TID）试验采用钴60 γ射线源，剂量率设定为25 rad(Si)/s，辐照总剂量阶梯式递增至150 krad(Si)（含50%过考核裕量）。试验依据QJ 10004A-2018《宇航用半导体器件总剂量辐照试验方法》，在24℃±6℃环境温度下进行，采用移位测试法确保辐照前后测试条件一致性。样品不开盖处理，以模拟实际封装下的剂量累积效应。

3.2.2 AS32S601型MCU TID耐受性

试验报告ZKX-TID-TP-006记录了AS32S601的总剂量考核过程。器件在室温测试阶段工作电流为135 mA，50%过辐照（150 krad(Si)）后电流略微降至132 mA，变化率-2.2%，处于测量不确定度范围内。CAN通信与存储器擦写功能全程正常，未出现参数漂移或功能退化。168小时高温退火（100℃）后，电参数与外观复测均合格，表明其具有良好的退火恢复特性。抗总剂量能力最终判定为大于150 krad(Si)，满足空间站5~10年寿命期的剂量累积需求（典型任务剂量约100 krad(Si)）。

3.2.3 ASM1042S2S型CANFD收发器TID耐受性

ASM1042S2S的总剂量试验（报告编号ZKX-TID-TP-007）同样采用150 krad(Si)考核剂量。测试数据显示，器件在待机模式与正常工作模式下的功耗未发生显著变化，总线输出电压对称性保持在±0.2 V以内，隐性短路电流Ios维持在±5 mA范围。CANFD通信在辐照前后均保持正常，数据帧传输无误。试验结论确认其TID指标大于150 krad(Si)，为机械臂通信链路的长期可靠性提供了数据支撑。

3.3 重离子单粒子效应试验

3.3.1 试验条件与LET阈值测定

中国科学院国家空间科学中心对ASM1042S2S开展了重离子单粒子效应试验，选用74Ge离子，能量205 MeV，硅中LET值37.4 MeV·cm²/mg，射程30 μm。辐照总注量1×10⁷ ion/cm²，注量率2.2×10⁴ ion/cm²/s，偏置条件5 V。试验在真空环境下进行，在线监测工作电流与通信功能。

3.3.2 试验结果与失效模式分析

试验报告2025FZ010表明，ASM1042S2S在LET=37.4 MeV·cm²/mg条件下未发生SEL或SEU，其单粒子锁定与翻转阈值均大于当前试验值。该结果与脉冲激光试验数据形成交叉验证，证明其敏感区域集中于浅结器件结构，深阱隔离设计有效抑制了闩锁路径。值得注意的是，该器件已应用于TY29与TY35卫星，在轨运行期间接口通信稳定，未上报任何单粒子异常事件，地面试验与在轨表现高度一致。

3.4 脉冲激光等效模拟试验

3.4.1 试验原理与参数设置

脉冲激光试验基于载流子密度等效原理，采用120 pJ初始能量（对应LET≈5 MeV·cm²/mg），阶梯式递增至1830 pJ（对应LET≈75 MeV·cm²/mg）。激光频率1000 Hz，三维移动台速度3000 μm/s，X/Y轴步长3 μm，注量1×10⁷ cm⁻²。样品开封装后正面辐照，实时监测电流与功能状态。

3.4.2 AS32S601脉冲激光试验结果

ZKX-2024-SB-21报告显示，AS32S601在LET值565 MeV·cm²/mg范围内未出现锁定，电流稳定在100 mA。当能量提升至1585 pJ（LET≈75 MeV·cm²/mg）时，观测到CPU复位现象，但未锁定，表明其SEU阈值位于6575 MeV·cm²/mg区间。该结果与质子试验结论互补，验证了其在高LET值重离子环境下的鲁棒性。

3.4.3 ASM1042系列脉冲激光对比分析

对ASM1042A、SIT1042AQ与TCAN1042HGVD的对比试验揭示不同设计加固水平的差异。ASM1042A在LET=100 MeV·cm²/mg下仍无锁定，表现最优；SIT1042AQ在LET=37 MeV·cm²/mg出现闩锁；TCAN1042HGVD在LET=25 MeV·cm²/mg出现功能中断（SEFI），37 MeV·cm²/mg出现锁定。该对比凸显了ASM1042S2S在抗辐照设计上的优势，其采用VIS 0.15 μm BCD工艺，浅槽隔离与Epi层结构有效降低了电荷收集效率。

4. 空间站机械臂集成架构设计

4.1 分布式控制系统拓扑

空间站机械臂通常采用"中央控制器-关节驱动器-末端执行器"三级分布式架构。AS32S601型MCU作为关节控制器核心处理器，负责电机伺服控制、位置反馈解算与传感器数据融合；ASM1042S2S构成CANFD总线物理层，实现5 Mbps高速指令传输与状态回传。每一路CANFD总线最多可挂载16个节点，满足机械臂6~7自由度扩展需求。

4.2 冗余与容错设计

依据ASIL-B功能安全要求，集成方案采用双CANFD总线冷备份架构。主总线故障时，备用总线在100 ms内完成切换，切换逻辑由独立看门狗电路实现。每个关节配置双MCU热冗余，通过同步串口交互心跳信号，故障节点自动隔离。Flash存储采用ECC纠错与三模冗余（TMR）代码存储，单比特翻转可实时纠正，多比特翻转触发程序流重载。

4.3 偏置与负载管理

总剂量试验表明，静态偏置下的功耗稳定性优于动态工作模式。机械臂在轨非工作期间，MCU切换至低功耗待机模式（电流<5 mA），CANFD收发器进入Standby模式（功耗5 μA），最大限度减少剂量累积效应。工作时IO驱动模式根据负载动态调整，确保信号完整性同时降低功耗，避免辐照诱导的热载流子退化。

5. 在轨验证与性能评估

5.1 TY29与TY35卫星应用概况

ASM1042S2S芯片于2025年5月随TY29"天仪29星"高光谱地质遥感卫星与TY35"天仪35星"光学遥感卫星入轨。两星均运行于低地球轨道（LEO），轨道高度约500 km，倾角97.5°，空间辐射环境以捕获质子与重离子为主。芯片应用于通信系统数据传输，接口速率配置为5 Mbps，单粒子效应设计指标为SEU≥75 MeV·cm²/mg或10⁻⁵次/器件·天，SEL≥75 MeV·cm²/mg。

5.2 在轨运行数据分析

截至2025年7月，ASM1042S2S已在轨运行超过60天，累计经历南大西洋异常区穿越约300次，未发生单粒子导致的通信中断或数据错误。遥测数据显示，芯片工作电流稳定在8~9 mA，总线误码率低于10⁻⁹，与地面试验数据高度吻合。值得注意的是，TY29星搭载的AS32S601型MCU同样表现稳定，其在轨SEU监测数据表明，Flash ECC纠错触发频率约0.02次/天，远低于设计阈值，验证了地面模拟试验向在轨环境外推的有效性。

5.3 与国外同类器件对比

相较于TI公司的TCAN1042系列，ASM1042S2S在LET=37 MeV·cm²/mg下无锁定，而TCAN1042HGVD在同等条件下出现SEL，表明国产器件在抗闩锁设计上具有一定优势。与Microchip的SAMV71Q21 RT系列MCU相比，AS32S601的总剂量耐受能力（>150 krad(Si)）略低于前者的300 krad(Si)，但主频180 MHz高于SAMV71的150 MHz，在算力与成本间取得了平衡。

6. 结论

本文通过系统梳理AS32S601型MCU与ASM1042S2S型CANFD收发器的多维度辐照试验数据，证实两款器件具备优异的商业航天级抗辐照性能。AS32S601在100 MeV质子、150 krad(Si)总剂量及75 MeV·cm²/mg激光等效LET条件下功能正常，ASM1042S2S的重离子锁定阈值大于37.4 MeV·cm²/mg，且在轨验证表现稳定。针对空间站机械臂应用，提出的双总线冗余、双MCU热备份及动态功耗管理架构，可有效应对空间辐射威胁。

审核编辑 黄宇