基于虛擬儀器1553B總線(xiàn)模塊故障診斷系統設計

摘要：分析1553B總線(xiàn)模塊設計原理基礎上，通過(guò)對1553B總線(xiàn)模塊故障樹(shù)的定性和定量分析，構建基于故障樹(shù)的故障診斷系統。描述基于虛擬儀器技術(shù)的故障診斷系統實(shí)現方案并設計相應的單元測試集，提高故障定位的精確度。

0 引言

1553B總線(xiàn)全稱(chēng)“數字式時(shí)分制指令/響應型多路傳輸數據總線(xiàn)”，是一種串行多路數據總線(xiàn)標準。20世紀70年代，美國公布了MIL-STD-1553標準，首次應用在F-16A/B戰斗機上，成為三代戰機航電系統的主要特色之一。隨著(zhù)技術(shù)的改進(jìn)和完善，在1980年之后推出MIL-STD-1553B標準，1553B總線(xiàn)在可靠性高，實(shí)時(shí)性強等方面優(yōu)點(diǎn)使它在現代武器系統中越來(lái)受到重視。目前，1553B總線(xiàn)廣泛應用于各種作戰飛機，同時(shí)拓展到各種戰車(chē)、導彈，艦船等武器平臺。

1553B總線(xiàn)模塊涉及的項目種類(lèi)多，維修保障數量大，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(xiàn)模塊維修平臺為依托的通用1553B總線(xiàn)模塊故障診斷系統設計，具有重要的意義。

1 1553B總線(xiàn)模塊的系統結構

分析1553B總線(xiàn)模塊的系統結構，系統結構設計如圖1所示。1553B總線(xiàn)模塊硬件主要包括通信控制器(CPU、EPROM、RAM及時(shí)鐘復位電路組成，它主要承擔著(zhù)傳輸層任務(wù)，包括控制1553B協(xié)議處理器，處理通信錯誤，響應系統主機命令進(jìn)行服務(wù)等功能)、共享存儲器(DPRAM)、1553B協(xié)議處理器、雙通道總線(xiàn)收/發(fā)器和隔離變壓器、計時(shí)器(實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC)、與子系統主機接口控制邏輯、內部控制邏輯和串行口電路

2 維修測試平臺系統集成

維修測試平臺采用了基于VXI總線(xiàn)虛擬儀器技術(shù)。維修測試平臺系統硬件平臺主要由系統控制器、VXI測試系統、程控電源、通用示波器、PC-MBI模塊，多串口卡和測試接口適配器組成。測試系統構成見(jiàn)圖2所示。

1)系統控制器采用1394接口卡和GPIB卡工控機通過(guò)1394接口以透明的方式與VXI測試系統內的總線(xiàn)控制模塊進(jìn)行通信：GPIB接口卡實(shí)現對程控電源和示波器的控制，在示波器和程控電源內部嵌入的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測試系統

在測試系統的設計中VXI總線(xiàn)系統為設計的關(guān)鍵部件，測試系統集成采用了VXI機箱，0槽模塊、數字測試子系統和I/O模塊。

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

b.0槽模塊：是VXI總線(xiàn)測試系統的控制核心。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路內部TTL觸發(fā)信號。

c.數字測試子系統：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數字I/O通道。本維修平臺為測試模塊配置64數字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)指標如下：

a.2路電壓可調0～+25V/1A;

b.電壓可調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)指標如下：

a.具有雙通道;

b. 帶寬可達350MHz;

c.采樣率可達1.256G;

d.具有GPIB接口。

5)測試接口適配器

測試系統中測試接口設計采用了互聯(lián)結構。形成對外統一的測試接口(主適配器)，選用VPC公司的VXI互鎖接收機，作為信號連接適配器。由于不同被測對象對外連接器各不相同，根據被測對象特征，設計子適配器，這種方式實(shí)現了整個(gè)測試系統資源的重復利用，提高了測試系統可擴展性和通用性。

6)PC-MBI卡

仿真1553B總線(xiàn)終端，實(shí)現與1553B總線(xiàn)模塊接口通信和協(xié)議測試。

7)多路串口卡

1553B總線(xiàn)模塊上CPU開(kāi)發(fā)調試接口或測試接口。

3 故障診斷軟件設計

3.1 故障診斷軟件平臺

故障診斷軟件平臺包括兩類(lèi)：一類(lèi)是基于虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)平臺和用戶(hù)操作人機交互接口;另一類(lèi)是1553B總線(xiàn)模塊內部CPU開(kāi)發(fā)環(huán)境(186監控系統、CCStudio)，根據CPU采用的芯片類(lèi)型的不同，采用開(kāi)發(fā)環(huán)境不同。CPU為80C186，開(kāi)發(fā)環(huán)境為186監控系統;CPU為T(mén)MS320F240或TMS320F2812開(kāi)發(fā)環(huán)境CCStudio。

虛擬儀器基于LabWhadows/CVI作為軟件平臺，該平臺是美國NI公司開(kāi)發(fā)一款交互式C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺，該軟件功能強大、使用靈活的C語(yǔ)言平臺用于數據采集分析和顯示測控專(zhuān)業(yè)工具有機的結合起來(lái)。

3.2 測試軟件設計

維修測試平臺設計中，測試軟件是整個(gè)維修測試平臺的核心部分，其中TPS(Test Program Set，TPS)設計考慮模塊化，標準化，通用化，可方便移植性于同系列其它1553B總線(xiàn)模塊使用。同時(shí)TPS設計直接影響到測試覆蓋的全面性，是否能夠對故障點(diǎn)的準確定位。

測試軟件主要包括對1553B總線(xiàn)模塊通信功能和各個(gè)功能單元的測試。

分析1553B總線(xiàn)模塊設計性能和功能指標，將1553B總線(xiàn)模塊電路分割為最小功能單元電路。由于在1553B總線(xiàn)模塊設計中雙口存儲器(DPRAM)作為子系統主機與模塊通信控制器數據交互接口，所以將1553B總線(xiàn)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試;第二部分為子系統主機接口電路測試;第三部分為1553B協(xié)議接口電路測試;第四部分為復位電路測試，如圖3所示。

通信控制器電路測試包括：EPROM功能單元電路測試、RAM功能單元電路測試、CPU控制DPRAM(右口)電路測試，中斷控制器，定時(shí)器功能電路測試和復位RTC計數器功能電路測試。

子系統主機接口電路測試包括：RTC功能單元電路測試、DPRAM(左口)電路測試。

以上功能單元組成了1553B模塊各個(gè)故障定位的測試子集。

3.2.1 ERROM測試

將E]PROM內的數據讀取進(jìn)行校驗，并將校驗值與校驗和相比較，一致則ERPOM功能正常。

3.2.2 RAM功能單元測試

采用典型測試數據方法，包括測試數據如下：步進(jìn)1，0x0000、ox5555，0xaaaa，0xffff和存儲器單元寫(xiě)入單元地址值。該測試方法對RAM的存儲體進(jìn)行了充分的測試，同時(shí)對RAM的地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn)進(jìn)行了有效的測試，例如總線(xiàn)是否短接或斷路。

3.2.3 DPRAM(右口)功能單元測試

采用典型測試數據方法，包括測試數據如下：步進(jìn)1，0x0000、ox5555，0xaaaa，0xffff和存儲器單元寫(xiě)入單元地址值。該測試方法對DPRAM的存儲體進(jìn)行了充分的測試，同時(shí)對DPRAM的地址和數據總線(xiàn)進(jìn)行了有效的測試，例如總線(xiàn)是否短接或斷路。

3.2.4 中斷控制功能單元測試

通過(guò)對開(kāi)發(fā)環(huán)境模擬子系統主機中斷信號和清主機中斷信號，模擬子系統主機的讀取中斷信號狀態(tài)，如果與設置一致，則功能正常。

3.2. 5 定時(shí)器功能單元測試

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

3.2.6 復位RTC計數器功能電路測試

通過(guò)開(kāi)發(fā)環(huán)境訪(fǎng)問(wèn)特定I/O空間單元將RTC清0，然后通過(guò)模擬子系統主機訪(fǎng)問(wèn)讀取RTC值，如果從0計數，CPU清RTC計數器功能電路工作正常。

3. 2.7 訪(fǎng)問(wèn)RTC功能單元電路測試

模擬子系統主機設置RTC計數器的值，然后讀回RTC值，如果RTC值是在設置初始值的基礎上進(jìn)行計數，則模擬子系統主機訪(fǎng)問(wèn)RTC功能單元電路工作正常。

3.2. 8 DPRAM(左口)功能單元測試

采用典型測試數據方法，包括測試數據如下：步進(jìn)1，0x0000、ox5555，0xaaaa，0xffff和存儲器單元寫(xiě)入單元地址值。該測試方法對DPRAM的存儲體進(jìn)行了充分的測試，同時(shí)對DPRAM的地址和數據總線(xiàn)進(jìn)行了有效的測試，例如總線(xiàn)是否短接或斷路。

4.基于故障樹(shù)的故障診斷

4.1 故障模型建立

故障樹(shù)模型是一個(gè)基于被診斷對象結構、特征的行為模型，是一種定性的因果模型，以系統最不希望事件為頂事件，以可能導致頂事件發(fā)生的其它事件為中間事件和底事件，并用邏輯門(mén)表示事件之間聯(lián)系的一種倒樹(shù)狀結構。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(shù)分析中，建樹(shù)是一個(gè)關(guān)鍵和基本步驟，建樹(shù)是否完善將直接影響分析診斷結果的準確性。而建樹(shù)的關(guān)鍵是要清楚了解所分析的系統功能邏輯關(guān)系及故障模式、影響及致命度，建樹(shù)完善與否直接影響定性分析和定量計算結果是否正確。

4.1.1 原理分析

1553B總線(xiàn)模塊設計原理見(jiàn)圖4。1553B接口電路與子系統主機通過(guò)DPRAM(雙口存儲器)進(jìn)行交互，子系統主機不直接控制1553B接口協(xié)議芯片，通信控制器(CPU等)讀取DPRAM中子系統主機命令字，配置1553B協(xié)議芯片工作狀態(tài)。協(xié)議芯片接收到1553B總線(xiàn)命令，通過(guò)DMA方式，取得內總線(xiàn)控制權，將接收數據寫(xiě)入DPRAM或將發(fā)送數據從DPRAM中讀出。

4.1.2 故障樹(shù)建立

1553B總線(xiàn)模塊主要功能實(shí)現1553B總線(xiàn)接口數據通信功能，以1553B總線(xiàn)通信故障(數據傳輸錯誤，總線(xiàn)不響應故障，主機命令不響應)為例，分析影響1553B總線(xiàn)通信正常主要因素：子系統主機正確設置命令字;通信控制正確執行子系統主機設置命令字;通信控制器正確設置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。綜合以上故障影響因素構建1553B總線(xiàn)通信故障樹(shù)。見(jiàn)圖5。

4.2 故障診斷實(shí)例

根據故障模型，同時(shí)依據維修測試平臺進(jìn)行故障檢測和故障排除，以維修案例及數據進(jìn)行統計，依據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以1553B總線(xiàn)模塊修復性維修為例，選用1553B總線(xiàn)模塊“未響應子系統主機命令”的故障現象來(lái)描述故障隔離步驟。

故障現象為：1553B總線(xiàn)模塊初始化時(shí)未響應子系統主機命令。

該故障原因主要有兩方面：一是子系統主機未正確將主機命令字寫(xiě)入DPRAM存儲器;二是通信控制器未正確響應主機命令。

綜合多年維修數據分析發(fā)生概率較高故障原因多為子系統主機未正確寫(xiě)入命令字，以該原因為例分析引發(fā)該故障因素如下：子系統主機訪(fǎng)問(wèn)DPRAM邏輯芯片故障;子系統主機總線(xiàn)驅動(dòng)芯片故障;子系統主機訪(fǎng)問(wèn)DPRAM信號印制板斷線(xiàn)。

5 結束語(yǔ)

本文在對1553B總線(xiàn)模塊的系統結構和工作原理進(jìn)行研究、總結的基礎上，設計通用的1553B總線(xiàn)模塊維修測試平臺，建立故障模型，按照S1000D標準，將故障現象、故障診斷和故障定位方法信息化、形成故障診斷專(zhuān)家庫，通過(guò)良好的用戶(hù)交互平臺，應用于1553B總線(xiàn)模塊故障診斷過(guò)程，指導1553B總線(xiàn)模塊維修工作，對維修效率提高和維修質(zhì)量的提高有著(zhù)積極意義