核级控制器作为保护系统的核心设备，其可靠性设计直接关系到保护系统的安全功能的执行。鉴于FPGA技术具有比微处理器技术更灵活的可靠性设计措施，目前广泛应用于核级控制器。FPGA程序设计的可靠性，是核级控制器可靠性的重要保障。数字信号在FPGA芯片内部不同时钟域中传输，可能会出现亚稳态现象，即信号处于非逻辑高或低的不定状态，从而造成FPGA内部逻辑出错。另一方面，核电应用中FPGA可能因单粒子辐射而导致FPGA内部寄存器发生逻辑翻转现象，造成系统功能失效。因此亚稳态和单粒子翻转是影响核级控制器FPGA可靠性的重要因素。本文对核级控制器FPGA的功能需求做了详细分析；对影响控制器FPGA可靠性的亚稳态和单粒子翻转分别进行了研究，分析了其影响控制器FPGA的故障模式；建立了亚稳态和单粒子翻转的传递函数模型；提出了基于控制理论方法，提高FPGA程序可靠性的设计方法及防护措施；最后提出了控制器FPGA的Qsys设计方案，并对Qsys设计方案的可靠性做了分析。