近年来,由于SRAM型FPGA具有体积小、功耗低、运算速度快等优点,在宇航设备中得到了广泛的应用。然而,太空环境中存在着大量的单粒子或重离子,它们对半导体材料的冲击极易导致FPGA内部结构发生故障,从而导致整个电子系统失效。目前,在地面模拟单粒子翻转（SEU）的主流方法是通过修改FPGA配置位流文件,但这种模拟方法不能定向对某个具体模块或者功能进行故障注入,不仅具有较大随机性,而且效率非常低,不能快速找到用户电路中的关键寄存器。因此,本文基于RTL级提出了一种针对寄存器的定向故障注入系统,可以对大量寄存器同时进行SEU模拟实验,从而快速找到目标电路中的关键寄存器。首先,从SRAM型FPGA的结构出发,对单粒子冲击导致的失效机理进行分析,发现单粒子主要会影响FPGA内部的查找表结构、触发器结构和BRAM结构,而这些结构在实际电路中的形态都与寄存器有关,故本文设计并实现了一个针对寄存器级的定向故障注入系统来模拟单粒子翻转。本文提出的“定向”是指单粒子翻转发生在目标电路特定的位置,比如各个模块中的寄存器,这类寄存器就被称作目标寄存器;“故障注入”是指通过控制目标寄存器是否发生翻转来模拟SEU故障。然后,设计了定向故障注入系统的硬件结构,包括数据输入模块、寄存器翻转控制模块、复位管理模块、数据对比和输出模块以及其他模块,并运用面积与速度互换的方法在FPGA上进行硬件实现,使得该系统具有较好的实时性的同时占用较少的FPGA片上资源。并对设计的功能模块进行RTL级仿真,验证其功能的正确性。同时为了保证定向故障注入系统的稳定工作,设计了系统状态自检模块,增强了系统的鲁棒性。最后,在FPGA开发板上做大量故障注入实验,包括单位SEU、多位SEU、状态机以及固定翻转位置等多种故障,通过分析这些实验数据找到了目标电路中的关键寄存器,从而验证本系统设计的正确性。