基于虛擬儀器1553B總線模塊故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：分析1553B總線模塊設(shè)計(jì)原理基礎(chǔ)上，通過對(duì)1553B總線模塊故障樹的定性和定量分析，構(gòu)建基于故障樹的故障診斷系統(tǒng)。描述基于虛擬儀器技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案并設(shè)計(jì)相應(yīng)的單元測(cè)試集，提高故障定位的精確度。

0 引言

1553B總線全稱“數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線”，是一種串行多路數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)70年代，美國公布了MIL-STD-1553標(biāo)準(zhǔn)，首次應(yīng)用在F-16A/B戰(zhàn)斗機(jī)上，成為三代戰(zhàn)機(jī)航電系統(tǒng)的主要特色之一。隨著技術(shù)的改進(jìn)和完善，在1980年之后推出MIL-STD-1553B標(biāo)準(zhǔn)，1553B總線在可靠性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)等方面優(yōu)點(diǎn)使它在現(xiàn)代武器系統(tǒng)中越來受到重視。目前，1553B總線廣泛應(yīng)用于各種作戰(zhàn)飛機(jī)，同時(shí)拓展到各種戰(zhàn)車、導(dǎo)彈，艦船等武器平臺(tái)。

1553B總線模塊涉及的項(xiàng)目種類多，維修保障數(shù)量大，要快速完成故障模塊的維修和保障有很大難度。為了降低故障定位難度，縮減維修時(shí)間，提高維修質(zhì)量，研究以通用1553B總線模塊維修平臺(tái)為依托的通用1553B總線模塊故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有重要的意義。

1 1553B總線模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分析1553B總線模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。1553B總線模塊硬件主要包括通信控制器(CPU、EPROM、RAM及時(shí)鐘復(fù)位電路組成，它主要承擔(dān)著傳輸層任務(wù)，包括控制1553B協(xié)議處理器，處理通信錯(cuò)誤，響應(yīng)系統(tǒng)主機(jī)命令進(jìn)行服務(wù)等功能)、共享存儲(chǔ)器(DPRAM)、1553B協(xié)議處理器、雙通道總線收/發(fā)器和隔離變壓器、計(jì)時(shí)器(實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC)、與子系統(tǒng)主機(jī)接口控制邏輯、內(nèi)部控制邏輯和串行口電路

2 維修測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)集成

維修測(cè)試平臺(tái)采用了基于VXI總線虛擬儀器技術(shù)。維修測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要由系統(tǒng)控制器、VXI測(cè)試系統(tǒng)、程控電源、通用示波器、PC-MBI模塊，多串口卡和測(cè)試接口適配器組成。測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成見圖2所示。

1)系統(tǒng)控制器采用1394接口卡和GPIB卡工控機(jī)通過1394接口以透明的方式與VXI測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)的總線控制模塊進(jìn)行通信：GPIB接口卡實(shí)現(xiàn)對(duì)程控電源和示波器的控制，在示波器和程控電源內(nèi)部嵌入的GPIB控制模塊以透明方式完成命令翻譯，控制程控電源和示波器的操作。

2)VXI測(cè)試系統(tǒng)

在測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中VXI總線系統(tǒng)為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件，測(cè)試系統(tǒng)集成采用了VXI機(jī)箱，0槽模塊、數(shù)字測(cè)試子系統(tǒng)和I/O模塊。

a.VXI機(jī)箱：選擇了AGILENT公司生產(chǎn)的13槽C尺寸機(jī)箱E8403A。

b.0槽模塊：是VXI總線測(cè)試系統(tǒng)的控制核心。選取AGILENT公司生產(chǎn)的E8491B模塊，包括一個(gè)MODID寄存器和一個(gè)10MHz時(shí)鐘源。具有觸發(fā)功能，可編程8路內(nèi)部TTL觸發(fā)信號(hào)。

c.數(shù)字測(cè)試子系統(tǒng)：采用槽C尺寸的SR2510組成，SR2510模塊包括了時(shí)序和矢量控制、可配96數(shù)字I/O通道。本維修平臺(tái)為測(cè)試模塊配置64數(shù)字I/O通道。

d.I/O模塊：采用AGILENT公司生產(chǎn)的E1458A模塊，該模塊為96通道數(shù)字I/O模塊，該模塊兼容TTL電平(0-5V)和COMS電平。

3)程控電源：AGILENT公司生產(chǎn)E3631A，該電源的技術(shù)指標(biāo)如下：

a.2路電壓可調(diào)0～+25V/1A;

b.電壓可調(diào)0～+6V/5A。

4)通用示波器

通用示波器采用TEK公司生產(chǎn)TDS3012系列示波器。該示波器主要技術(shù)指標(biāo)如下：

a.具有雙通道;

b. 帶寬可達(dá)350MHz;

c.采樣率可達(dá)1.256G;

d.具有GPIB接口。

5)測(cè)試接口適配器

測(cè)試系統(tǒng)中測(cè)試接口設(shè)計(jì)采用了互聯(lián)結(jié)構(gòu)。形成對(duì)外統(tǒng)一的測(cè)試接口(主適配器)，選用VPC公司的VXI互鎖接收機(jī)，作為信號(hào)連接適配器。由于不同被測(cè)對(duì)象對(duì)外連接器各不相同，根據(jù)被測(cè)對(duì)象特征，設(shè)計(jì)子適配器，這種方式實(shí)現(xiàn)了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)資源的重復(fù)利用，提高了測(cè)試系統(tǒng)可擴(kuò)展性和通用性。

6)PC-MBI卡

仿真1553B總線終端，實(shí)現(xiàn)與1553B總線模塊接口通信和協(xié)議測(cè)試。

7)多路串口卡

1553B總線模塊上CPU開發(fā)調(diào)試接口或測(cè)試接口。

3 故障診斷軟件設(shè)計(jì)

3.1 故障診斷軟件平臺(tái)

故障診斷軟件平臺(tái)包括兩類：一類是基于虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)和用戶操作人機(jī)交互接口;另一類是1553B總線模塊內(nèi)部CPU開發(fā)環(huán)境(186監(jiān)控系統(tǒng)、CCStudio)，根據(jù)CPU采用的芯片類型的不同，采用開發(fā)環(huán)境不同。CPU為80C186，開發(fā)環(huán)境為186監(jiān)控系統(tǒng);CPU為TMS320F240或TMS320F2812開發(fā)環(huán)境CCStudio。

虛擬儀器基于LabWhadows/CVI作為軟件平臺(tái)，該平臺(tái)是美國NI公司開發(fā)一款交互式C語言開發(fā)平臺(tái)，該軟件功能強(qiáng)大、使用靈活的C語言平臺(tái)用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)的結(jié)合起來。

3.2 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

維修測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)中，測(cè)試軟件是整個(gè)維修測(cè)試平臺(tái)的核心部分，其中TPS(Test Program Set，TPS)設(shè)計(jì)考慮模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化，通用化，可方便移植性于同系列其它1553B總線模塊使用。同時(shí)TPS設(shè)計(jì)直接影響到測(cè)試覆蓋的全面性，是否能夠?qū)收宵c(diǎn)的準(zhǔn)確定位。

測(cè)試軟件主要包括對(duì)1553B總線模塊通信功能和各個(gè)功能單元的測(cè)試。

分析1553B總線模塊設(shè)計(jì)性能和功能指標(biāo)，將1553B總線模塊電路分割為最小功能單元電路。由于在1553B總線模塊設(shè)計(jì)中雙口存儲(chǔ)器(DPRAM)作為子系統(tǒng)主機(jī)與模塊通信控制器數(shù)據(jù)交互接口，所以將1553B總線模塊功能單元分為四部分，第一部分為模塊通信控制器電路測(cè)試;第二部分為子系統(tǒng)主機(jī)接口電路測(cè)試;第三部分為1553B協(xié)議接口電路測(cè)試;第四部分為復(fù)位電路測(cè)試，如圖3所示。

通信控制器電路測(cè)試包括：EPROM功能單元電路測(cè)試、RAM功能單元電路測(cè)試、CPU控制DPRAM(右口)電路測(cè)試，中斷控制器，定時(shí)器功能電路測(cè)試和復(fù)位RTC計(jì)數(shù)器功能電路測(cè)試。

子系統(tǒng)主機(jī)接口電路測(cè)試包括：RTC功能單元電路測(cè)試、DPRAM(左口)電路測(cè)試。

以上功能單元組成了1553B模塊各個(gè)故障定位的測(cè)試子集。

3.2.1 ERROM測(cè)試

將E]PROM內(nèi)的數(shù)據(jù)讀取進(jìn)行校驗(yàn)，并將校驗(yàn)值與校驗(yàn)和相比較，一致則ERPOM功能正常。

3.2.2 RAM功能單元測(cè)試

采用典型測(cè)試數(shù)據(jù)方法，包括測(cè)試數(shù)據(jù)如下：步進(jìn)1，0x0000、ox5555，0xaaaa，0xffff和存儲(chǔ)器單元寫入單元地址值。該測(cè)試方法對(duì)RAM的存儲(chǔ)體進(jìn)行了充分的測(cè)試，同時(shí)對(duì)RAM的地址總線和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行了有效的測(cè)試，例如總線是否短接或斷路。

3.2.3 DPRAM(右口)功能單元測(cè)試

采用典型測(cè)試數(shù)據(jù)方法，包括測(cè)試數(shù)據(jù)如下：步進(jìn)1，0x0000、ox5555，0xaaaa，0xffff和存儲(chǔ)器單元寫入單元地址值。該測(cè)試方法對(duì)DPRAM的存儲(chǔ)體進(jìn)行了充分的測(cè)試，同時(shí)對(duì)DPRAM的地址和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行了有效的測(cè)試，例如總線是否短接或斷路。

3.2.4 中斷控制功能單元測(cè)試

通過對(duì)開發(fā)環(huán)境模擬子系統(tǒng)主機(jī)中斷信號(hào)和清主機(jī)中斷信號(hào)，模擬子系統(tǒng)主機(jī)的讀取中斷信號(hào)狀態(tài)，如果與設(shè)置一致，則功能正常。

3.2. 5 定時(shí)器功能單元測(cè)試

測(cè)試平臺(tái)配置示波器采集定時(shí)器電路的輸出信號(hào)，測(cè)量定時(shí)器輸出波形，如果按照預(yù)期值輸出，定時(shí)器功能正常。

3.2.6 復(fù)位RTC計(jì)數(shù)器功能電路測(cè)試

通過開發(fā)環(huán)境訪問特定I/O空間單元將RTC清0，然后通過模擬子系統(tǒng)主機(jī)訪問讀取RTC值，如果從0計(jì)數(shù)，CPU清RTC計(jì)數(shù)器功能電路工作正常。

3. 2.7 訪問RTC功能單元電路測(cè)試

模擬子系統(tǒng)主機(jī)設(shè)置RTC計(jì)數(shù)器的值，然后讀回RTC值，如果RTC值是在設(shè)置初始值的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)數(shù)，則模擬子系統(tǒng)主機(jī)訪問RTC功能單元電路工作正常。

3.2. 8 DPRAM(左口)功能單元測(cè)試

采用典型測(cè)試數(shù)據(jù)方法，包括測(cè)試數(shù)據(jù)如下：步進(jìn)1，0x0000、ox5555，0xaaaa，0xffff和存儲(chǔ)器單元寫入單元地址值。該測(cè)試方法對(duì)DPRAM的存儲(chǔ)體進(jìn)行了充分的測(cè)試，同時(shí)對(duì)DPRAM的地址和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行了有效的測(cè)試，例如總線是否短接或斷路。

4.基于故障樹的故障診斷

4.1 故障模型建立

故障樹模型是一個(gè)基于被診斷對(duì)象結(jié)構(gòu)、特征的行為模型，是一種定性的因果模型，以系統(tǒng)最不希望事件為頂事件，以可能導(dǎo)致頂事件發(fā)生的其它事件為中間事件和底事件，并用邏輯門表示事件之間聯(lián)系的一種倒樹狀結(jié)構(gòu)。它反映了特征向量與故障向量(故障原因)之間的全部邏輯關(guān)系。在故障樹分析中，建樹是一個(gè)關(guān)鍵和基本步驟，建樹是否完善將直接影響分析診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。而建樹的關(guān)鍵是要清楚了解所分析的系統(tǒng)功能邏輯關(guān)系及故障模式、影響及致命度，建樹完善與否直接影響定性分析和定量計(jì)算結(jié)果是否正確。

4.1.1 原理分析

1553B總線模塊設(shè)計(jì)原理見圖4。1553B接口電路與子系統(tǒng)主機(jī)通過DPRAM(雙口存儲(chǔ)器)進(jìn)行交互，子系統(tǒng)主機(jī)不直接控制1553B接口協(xié)議芯片，通信控制器(CPU等)讀取DPRAM中子系統(tǒng)主機(jī)命令字，配置1553B協(xié)議芯片工作狀態(tài)。協(xié)議芯片接收到1553B總線命令，通過DMA方式，取得內(nèi)總線控制權(quán)，將接收數(shù)據(jù)寫入DPRAM或?qū)l(fā)送數(shù)據(jù)從DPRAM中讀出。

4.1.2 故障樹建立

1553B總線模塊主要功能實(shí)現(xiàn)1553B總線接口數(shù)據(jù)通信功能，以1553B總線通信故障(數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，總線不響應(yīng)故障，主機(jī)命令不響應(yīng))為例，分析影響1553B總線通信正常主要因素：子系統(tǒng)主機(jī)正確設(shè)置命令字;通信控制正確執(zhí)行子系統(tǒng)主機(jī)設(shè)置命令字;通信控制器正確設(shè)置1553B協(xié)議處理器;1553B協(xié)議處理器DMA方式工作正常;1553B收發(fā)器\變壓器正常產(chǎn)生曼碼信號(hào)。綜合以上故障影響因素構(gòu)建1553B總線通信故障樹。見圖5。

4.2 故障診斷實(shí)例

根據(jù)故障模型，同時(shí)依據(jù)維修測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行故障檢測(cè)和故障排除，以維修案例及數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，依據(jù)故障概率大小編制故障排除流程，將故障率高的故障點(diǎn)、首先進(jìn)行故障排除?，F(xiàn)以1553B總線模塊修復(fù)性維修為例，選用1553B總線模塊“未響應(yīng)子系統(tǒng)主機(jī)命令”的故障現(xiàn)象來描述故障隔離步驟。

故障現(xiàn)象為：1553B總線模塊初始化時(shí)未響應(yīng)子系統(tǒng)主機(jī)命令。

該故障原因主要有兩方面：一是子系統(tǒng)主機(jī)未正確將主機(jī)命令字寫入DPRAM存儲(chǔ)器;二是通信控制器未正確響應(yīng)主機(jī)命令。

綜合多年維修數(shù)據(jù)分析發(fā)生概率較高故障原因多為子系統(tǒng)主機(jī)未正確寫入命令字，以該原因?yàn)槔治鲆l(fā)該故障因素如下：子系統(tǒng)主機(jī)訪問DPRAM邏輯芯片故障;子系統(tǒng)主機(jī)總線驅(qū)動(dòng)芯片故障;子系統(tǒng)主機(jī)訪問DPRAM信號(hào)印制板斷線。

5 結(jié)束語

本文在對(duì)1553B總線模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行研究、總結(jié)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)通用的1553B總線模塊維修測(cè)試平臺(tái)，建立故障模型，按照S1000D標(biāo)準(zhǔn)，將故障現(xiàn)象、故障診斷和故障定位方法信息化、形成故障診斷專家?guī)欤ㄟ^良好的用戶交互平臺(tái)，應(yīng)用于1553B總線模塊故障診斷過程，指導(dǎo)1553B總線模塊維修工作，對(duì)維修效率提高和維修質(zhì)量的提高有著積極意義