時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)設(shè)備典型質(zhì)量問題分析與研究

張小龍

摘要：該文針對(duì)XHTF330時(shí)統(tǒng)設(shè)備出廠調(diào)試過程中，出現(xiàn)的北斗授時(shí)異常與產(chǎn)生器超容差故障進(jìn)行分析研究，針對(duì)兩個(gè)典型故障從時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)設(shè)備兩個(gè)模塊的系統(tǒng)組成及其工作原理入手，詳細(xì)闡述了兩個(gè)典型故障的定位過程，依據(jù)兩個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，通過建立典型案例故障樹，對(duì)故障現(xiàn)象及原因進(jìn)行深入剖析，通過進(jìn)一步的故障機(jī)理分析得出科學(xué)有效的故障解決方案，為時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)出所裝船解決了質(zhì)量問題，為后續(xù)執(zhí)行任務(wù)提供了穩(wěn)定保障，同時(shí)對(duì)其他模塊相關(guān)故障處置也具有一定的借鑒參考意義。

關(guān)鍵詞：時(shí)統(tǒng)設(shè)備;質(zhì)量問題;GPS＼BD模塊

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）26-0209-03

1 背景

XHTF330型時(shí)統(tǒng)設(shè)備是測(cè)量船使用的新一代小型化時(shí)統(tǒng)，能夠?yàn)楹教烊蝿?wù)各測(cè)控設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間和頻率信號(hào)。該設(shè)備在研制測(cè)試過程中，測(cè)試人員發(fā)現(xiàn)XHTF330時(shí)統(tǒng)設(shè)備告警單元出現(xiàn)多次告警顯示，通過查看告警顯示內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)北斗授時(shí)異常并伴隨產(chǎn)生器超容差報(bào)警，為了探究故障發(fā)生原因，本文針對(duì)這兩種典型故障進(jìn)行了分析研究，并提出相應(yīng)的故障解決措施。

2 XHTF330型時(shí)統(tǒng)簡(jiǎn)介

XHTF330型時(shí)統(tǒng)設(shè)備采用雙冗余模塊化設(shè)計(jì)，能同時(shí)接收GPS/北斗/外同步PPS+TOD定時(shí)信號(hào)，具有IRIG-B碼、頻率輸出和網(wǎng)絡(luò)授時(shí)功能，可為各測(cè)控設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)B（DC）時(shí)碼信號(hào)和10MHz頻率信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間和頻率的統(tǒng)一。該系統(tǒng)主要由定時(shí)接收模塊，時(shí)碼產(chǎn)生模塊（含馴服晶振或馴服銣鐘），兩個(gè)電源模塊，以及（10MHz、5MHz、1MHz）頻標(biāo)模塊、控制模塊、（B（AC）、B（DC））時(shí)碼產(chǎn)生模塊、NTP模塊和監(jiān)控模塊等部分組成，其工作原理如圖1所示。

GPS＼BD模塊能夠同時(shí)接收時(shí)間信息，送到其他模塊用于同步，其戰(zhàn)技指標(biāo)如表1所示，產(chǎn)生器模塊利用XHTF330型時(shí)統(tǒng)中的定時(shí)接收模塊的參考秒馴服本模塊內(nèi)部的頻率源，當(dāng)GPS＼BD模塊與產(chǎn)生器超容差出現(xiàn)故障，會(huì)導(dǎo)致該系統(tǒng)不能準(zhǔn)確授時(shí)，影響其他系統(tǒng)的正常工作。

3 GPS＼BD模塊長(zhǎng)時(shí)間定位異常不能自恢復(fù)

3.1 模塊組成及原理

GPS＼BD模塊由GPS＼BD OEM板（ublox），微處理器（W77E58），CAN總線控制器（SJA1000），CAN總線收發(fā)器（SN65HVD230），電平轉(zhuǎn)換電路以及電源等（如圖2）功能部件組成。

3.2 問題定位

根據(jù)上述故障現(xiàn)象，分析如圖3所示。

1）外界電磁干擾

通過查詢相關(guān)技術(shù)資料，模塊在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了電磁兼容問題，且本身具備一定的抗干擾能力，另外我們對(duì)天線增加屏蔽罩，故障現(xiàn)象未曾消失，排除電磁干擾問題。

2）檢查天饋系統(tǒng)

通過更換備品備件，發(fā)現(xiàn)天饋系統(tǒng)工作正常，因此排除天饋系統(tǒng)問題。

3）檢查模塊射頻處理部分

運(yùn)用模擬器發(fā)送單載波，使用頻譜儀可以看出模塊在射頻、中頻部分正常，排除模塊射頻、中頻部分異常。

4）檢查模塊接口算法

通過分析模塊異常時(shí)記錄的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)模塊輸出的數(shù)據(jù)不完全重復(fù)，時(shí)間信息仍在延續(xù)，排除模塊接口算法問題。

3.3 機(jī)理分析

當(dāng)GPS＼BD模塊搜索到某個(gè)衛(wèi)星信號(hào)之后，相應(yīng)的接收通道就從捕獲階段進(jìn)入跟蹤階段;當(dāng)模塊的鎖定檢測(cè)器判定總環(huán)路對(duì)信號(hào)失鎖后，接收通道又需要從跟蹤階段返回捕獲階段。

3.4 解決措施

故障確定后，廠家對(duì)基帶算法進(jìn)行了調(diào)整，升級(jí)了軟件版本，確保當(dāng)模塊長(zhǎng)時(shí)間無法正常收星定位時(shí)，對(duì)模塊通道進(jìn)行釋放，從而避免模塊的衛(wèi)星接收通道飽和，同時(shí)更換天線安裝位置和更換更高性能天線來提高模塊收星質(zhì)量。在以上措施完成后，該模塊定位收星正常，此時(shí)該故障得到解決。

4 產(chǎn)生器超容差故障

4.1 產(chǎn)生器組成及原理

時(shí)碼產(chǎn)生器主要由馴服頻標(biāo)、時(shí)差測(cè)量、移相同步、時(shí)碼產(chǎn)生、顯示按鍵等部分組成（如圖5），能夠利用XHTF330系統(tǒng)中GPS模塊、北斗模塊或者外同步模塊的參考秒馴服本模塊內(nèi)部頻率源，同時(shí)獲得當(dāng)前時(shí)間信息。

在進(jìn)行產(chǎn)生器時(shí)差測(cè)量時(shí)，產(chǎn)生器通過接收GPS、北斗、外同步秒，通過優(yōu)先級(jí)選擇其中1個(gè)作為參考秒，并將該參考秒與產(chǎn)生器秒進(jìn)行時(shí)差測(cè)量，得到產(chǎn)生器時(shí)差以及外部輸入信號(hào)的穩(wěn)定性能（如圖6）。

控制器以ARM9處理器為核心，結(jié)合超大規(guī)模集成電路FPGA以及嵌入式程序設(shè)計(jì)共同完成對(duì)XHTF330時(shí)統(tǒng)設(shè)備的參考源信號(hào)、兩個(gè)時(shí)碼產(chǎn)生模塊的1pps、B（DC）碼、10MHZ頻率信號(hào)，兩個(gè)時(shí)碼產(chǎn)生模塊1pps與參考源之間的時(shí)差、兩個(gè)產(chǎn)生器的時(shí)間信息，以及其他模塊的信息監(jiān)控。在進(jìn)行時(shí)差測(cè)量時(shí)，控制器接收GPS、北斗、外同步秒、產(chǎn)生器秒1、產(chǎn)生器秒2，通過優(yōu)先級(jí)選擇，在GPS、北斗、外同步秒中選擇1個(gè)作為參考秒，并用該參考秒與產(chǎn)生器秒1和產(chǎn)生器秒2進(jìn)行時(shí)差測(cè)量，得到控制器時(shí)差，從而判斷產(chǎn)生器產(chǎn)生的秒信號(hào)是否正確（如圖7）。

4.2 問題定位

XHTF330時(shí)統(tǒng)設(shè)備采用了冗余設(shè)計(jì)，該設(shè)備的產(chǎn)生器以及控制器上均設(shè)計(jì)了時(shí)差測(cè)量單元，在設(shè)備出現(xiàn)超容差故障告警時(shí)，觀察其告警顯示單元發(fā)現(xiàn)只有控制器出現(xiàn)告警，而產(chǎn)生器并未出現(xiàn)告警，利用示波器測(cè)量其產(chǎn)生器實(shí)際時(shí)差，時(shí)差并未發(fā)生突變，從而定位此次設(shè)備超容差告警故障單元為控制器時(shí)差測(cè)量單元。在確定故障單元的基礎(chǔ)上，通過查閱各類技術(shù)手冊(cè)，對(duì)故障進(jìn)行了詳細(xì)分析，利用示波器等儀器對(duì)輸入控制器的GPS、北斗、外同步秒、產(chǎn)生器1秒、產(chǎn)生器2秒等信號(hào)進(jìn)行波形測(cè)量，通過觀察其波形圖，不難發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生器1秒、產(chǎn)生器2秒波形上存在明顯的毛刺信號(hào)，而GPS、北斗、外同步秒波形則不存在這種現(xiàn)象，由于在設(shè)計(jì)初期，未考慮控制器要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行過濾，因此該毛刺信號(hào)在通過控制器時(shí)未過濾掉，在進(jìn)行時(shí)差測(cè)量時(shí)，控制器將產(chǎn)生器秒信號(hào)和毛刺信號(hào)同時(shí)進(jìn)行時(shí)差測(cè)量并進(jìn)行顯示，導(dǎo)致了控制器時(shí)差測(cè)量出現(xiàn)超容差現(xiàn)象。

4.3 機(jī)理分析

在FPGA的設(shè)計(jì)中，毛刺現(xiàn)象是影響數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效性和可靠性的主要因素。這些毛刺會(huì)被“保留”傳遞下一級(jí)，從而影響設(shè)備功能正常運(yùn)行。而此次超容差故障是由于XHTF330時(shí)統(tǒng)設(shè)備在接上擴(kuò)展機(jī)箱后，由于信號(hào)傳輸路徑增長(zhǎng)以及阻抗不匹配等問題，導(dǎo)致信號(hào)在通過產(chǎn)生器時(shí)，產(chǎn)生器秒1、秒2信號(hào)上疊加了毛刺信號(hào)，進(jìn)行時(shí)差測(cè)量時(shí)，控制器未過濾掉毛刺信號(hào)而直接進(jìn)行時(shí)差測(cè)量，從而影響了測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性。

4.4 解決措施

通過故障分析與定位，可以確定造成此次超容差故障是由于毛刺現(xiàn)象產(chǎn)生導(dǎo)致控制器在進(jìn)行時(shí)差測(cè)量時(shí)未過濾掉而導(dǎo)致的，在經(jīng)過所有人員溝通交流后，一致決定修改控制器中的FPGA代碼，使其在進(jìn)行時(shí)差測(cè)量時(shí)首先對(duì)通過的信號(hào)進(jìn)行濾波，過濾掉毛刺信號(hào)。在修改結(jié)束后，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)，沒有再出現(xiàn)超容差故障現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

通過對(duì)GPS＼BD模塊故障原因進(jìn)行分析、定位，得出此類故障內(nèi)在原因是該設(shè)備基帶算法軟件存在設(shè)計(jì)缺陷。針對(duì)此次問題，我們將模塊接口軟件及基帶處理軟件進(jìn)行了全面梳理，對(duì)軟件進(jìn)行軟件流程及BUG排查，未發(fā)現(xiàn)類似問題。針對(duì)產(chǎn)生器超容差故障，通過修改控制器FPGA代碼有效解決了XHTF330時(shí)統(tǒng)設(shè)備故障，后期可通過舉一反三進(jìn)一步加深對(duì)FPGA代碼的理解掌握，為類似故障打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本文通過對(duì)XHTF330時(shí)統(tǒng)設(shè)備研制測(cè)試中遇到的兩類典型故障分析研究，提出了切實(shí)可行的故障解決方案，并在實(shí)際工程運(yùn)用中得到有效驗(yàn)證，為設(shè)備出所裝船消除了技術(shù)隱患，進(jìn)一步提高了XHTF330時(shí)統(tǒng)設(shè)備安全穩(wěn)定性，為后續(xù)測(cè)量船出海執(zhí)行任務(wù)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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