一種俄制ГOCT18977-89 總線通信偶發(fā)故障剖析

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

我國(guó)在多年前引進(jìn)了一定數(shù)量的俄制飛機(jī)，機(jī)上航電通信用計(jì)算機(jī)主要采用俄制 ГOCT18977-89總線通信協(xié)議，無(wú)法與我方數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。為了實(shí)現(xiàn)雙方計(jì)算機(jī)有效的數(shù)據(jù)通信，需要通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊（簡(jiǎn)稱AT 模塊）來(lái)完成通信轉(zhuǎn)換。近年來(lái)，此類飛機(jī)在外場(chǎng)執(zhí)行任務(wù)時(shí)偶發(fā)總線通信故障，通過(guò)深入剖析、排查與診斷，最終確定故障是由于CPLD 對(duì)協(xié)議芯片的復(fù)位臨界所導(dǎo)致，并提出解決與改進(jìn)措施，有效提高了芯片復(fù)位的可靠性。經(jīng)試驗(yàn)表明，該方法切實(shí)可行，能夠有效保障雙機(jī)之間的正常通信。

1 工作原理

通信中，當(dāng)數(shù)據(jù)下行時(shí)，AT 模塊接收到俄制ГOCT18977-89 總線輸出的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行識(shí)別判斷，然后發(fā)送給我方數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)處理，最后將處理完畢的數(shù)據(jù)下發(fā)給電臺(tái)；當(dāng)數(shù)據(jù)上行時(shí)，電臺(tái)需首先將數(shù)據(jù)發(fā)送到我方處理計(jì)算機(jī)，處理后再發(fā)送至AT 模塊進(jìn)行識(shí)別并轉(zhuǎn)換為ГOCT18977-89通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)格式，最后回傳給俄制通用計(jì)算機(jī)。

目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)俄式ГOCT18977-89 總線協(xié)議的專用芯片和仿真設(shè)備，然而該協(xié)議類似于美國(guó)的ARINC429總線通信協(xié)議。兩者的電氣特性和數(shù)據(jù)格式均一致，其主要區(qū)別在于前者擁有更多種通信速率[3][4]。在AT 模塊設(shè)計(jì)時(shí)采用ARINC429總線芯片進(jìn)行速率的匹配，使其通信數(shù)據(jù)速率為48 kb/s±25%。在生產(chǎn)調(diào)試中多采用帶ARINC429板卡（簡(jiǎn)稱429）的計(jì)算機(jī)來(lái)模擬ГOCT18977-89總線控制器，并直接與AT 模塊連接，其工作原理如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，協(xié)議芯片收到俄制通用計(jì)算機(jī)經(jīng)總線發(fā)出的信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)換為16位（DB0～DB15）并行數(shù)據(jù)并傳送給CPLD，CPLD 進(jìn)行數(shù)據(jù)識(shí)別，當(dāng)接收到的第一幀數(shù)據(jù)滿足上行幀頭要求（例如55h）時(shí)，則將數(shù)據(jù)解析處理后的信息上傳至協(xié)議芯片，經(jīng)429轉(zhuǎn)換為總線格式后輸出至俄制計(jì)算機(jī)；當(dāng)接收到第一幀數(shù)據(jù)滿足下行幀頭值（例如AAh）時(shí)，將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)RS422格式，最后輸出至我方數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。

圖1 AT模塊工作原理圖

當(dāng)AT 模塊接收到電臺(tái)處理完成的數(shù)據(jù)時(shí)，其信息將以串行32位碼字的形式呈現(xiàn)，并在CPLD 中進(jìn)行數(shù)據(jù)解析處理，然后通過(guò)協(xié)議芯片及驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換為429總線格式，輸出到俄制通用計(jì)算機(jī)。完成信息發(fā)送后，模塊自動(dòng)恢復(fù)到接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。

2 故障剖析與定位

然而，當(dāng)雙方計(jì)算機(jī)在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，偶發(fā)出現(xiàn)總線通信故障，數(shù)據(jù)無(wú)法正常傳輸。具體故障現(xiàn)象為，在無(wú)外部數(shù)據(jù)激勵(lì)時(shí)，總線持續(xù)收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)“80000000h”。經(jīng)測(cè)試，故障概率約10%，部分產(chǎn)品高達(dá)50%。該故障具有偶發(fā)性，故障件并非固定批次的產(chǎn)品或器件，非硬件批次故障。

我們從信號(hào)流程出發(fā)，首先把關(guān)注點(diǎn)放在429總線信號(hào)的輸入輸出支路上，即圖1中構(gòu)成的環(huán)路，其硬件電路包括429協(xié)議芯片和429電平轉(zhuǎn)換芯片。429電平轉(zhuǎn)換芯片型號(hào)為BD429A，其引腳如圖2所示。

圖2 電平轉(zhuǎn)換芯片原理圖

圖3 協(xié)議芯片原理圖

器件2腳/3腳為計(jì)算機(jī)輸入的總線入信號(hào)，8腳為CPLD 控制的器件片選，37腳為CPLD 分頻后器件時(shí)鐘，30腳為發(fā)送緩存空標(biāo)志，33腳為CPLD 控制的發(fā)送使能（高有效），31腳/32腳為輸出至電平轉(zhuǎn)換芯片D13的429信號(hào)。

故障時(shí)，示波器測(cè)試時(shí)鐘CLK3282正常；429D1A/B 為低電平（無(wú)429 數(shù)據(jù)輸入）；DB0～DB15 常低（與CPLD 間無(wú)數(shù)據(jù)交換）；SEL 為高（CPLD 控制使能無(wú)效）；ENTX 為高（發(fā)送使能有效）。再測(cè)試輸出信號(hào)，429D0/1均有數(shù)據(jù)！讀取數(shù)據(jù)確實(shí)是“80000000”；再測(cè)試TX/R 為低電平，即發(fā)送緩存空標(biāo)志有效，表明外部無(wú)數(shù)據(jù)輸入。綜上分析，確認(rèn)協(xié)議芯片在未收到任何外部有效信號(hào)的情況下，持續(xù)有數(shù)據(jù)輸出且輸出使能有效。判斷協(xié)議芯片工作異常。由此列出故障樹(shù)如圖4所示。

圖4 429協(xié)議芯片輸出異常故障樹(shù)

根據(jù)故障樹(shù)逐一分析：

（1）M1——電源供電異常。萬(wàn)用表、示波器測(cè)試板上各電源，反復(fù)開(kāi)關(guān)電測(cè)試VCC、+3.3V 等電源均正常，排除此項(xiàng)。

（2）M2——芯片自身制造缺陷。測(cè)試發(fā)現(xiàn)只要上電正常，模塊均持續(xù)正常工作，高低溫試驗(yàn)下現(xiàn)象相同。更換芯片部分產(chǎn)品故障概率會(huì)降低，但未徹底消除。器件檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)指標(biāo)異常，暫時(shí)排除此項(xiàng)原因。

（3）M31——復(fù)位異常。查HS1-3282-8 器件資料，復(fù)位信號(hào)寬度要求見(jiàn)表1。

表1 HS1-3282-8器件復(fù)位信號(hào)

即要求復(fù)位脈寬最小值200 ns。測(cè)試模塊復(fù)位信號(hào)/RES1和協(xié)議芯片復(fù)位信號(hào)/MRESET（39腳）時(shí)序關(guān)系如圖5所示。

圖5 復(fù)位時(shí)序圖

即復(fù)位信號(hào)恰好設(shè)計(jì)為200 ns 有效，故障時(shí)測(cè)試復(fù)位波形和正常工作一樣。查詢CPLD 和單片機(jī)程序，復(fù)位電路設(shè)計(jì)與上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一致。為確定是否復(fù)位不能滿足器件需求，我們做了兩個(gè)試驗(yàn)：一是故障時(shí)，從協(xié)議芯片39 腳（/MRESET）人為引入一個(gè)低脈沖（即手動(dòng)復(fù)位），脈沖長(zhǎng)度從300 ns～1 ms 不等，多次反復(fù)測(cè)試，故障不再出現(xiàn)；二是加電后直接給協(xié)議芯片復(fù)位腳（39腳）手動(dòng)復(fù)位一次，再次測(cè)試模塊功能正常，重復(fù)測(cè)試均無(wú)故障。通過(guò)以上試驗(yàn)驗(yàn)證，故障原因是協(xié)議芯片未有效復(fù)位，即當(dāng)前200 ns 復(fù)位信號(hào)不能滿足部分器件需求，適當(dāng)延長(zhǎng)復(fù)位信號(hào)即能解決故障。

（4）M32——控制信號(hào)異常。故障時(shí)，測(cè)試使能信號(hào)SEL 為高，即芯片片選無(wú)效狀態(tài)，此時(shí)時(shí)鐘信號(hào)正常，輸入數(shù)據(jù)線，收發(fā)使能、方向等信號(hào)都處于無(wú)效狀態(tài)，故排除此項(xiàng)。

綜上所述，定位故障原因?yàn)镃PLD 軟件中對(duì)協(xié)議芯片的復(fù)位設(shè)計(jì)臨界，部分產(chǎn)品在此時(shí)間段不能完成協(xié)議芯片的有效復(fù)位，達(dá)不到器件需求，導(dǎo)致偶發(fā)出現(xiàn)通信故障。

3 故障機(jī)理分析與解決措施

3.1 故障機(jī)理分析

AT 模塊主要實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)功能，接收俄制ГOCT18977-89總線（用ARINC429模擬）數(shù)據(jù)，進(jìn)行識(shí)別、處理、轉(zhuǎn)換后分別轉(zhuǎn)發(fā)給計(jì)算機(jī)或者回傳給俄制總線。

協(xié)議芯片主要用于將輸入429總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16位并行數(shù)據(jù)，并接收CPLD 和單片機(jī)轉(zhuǎn)換處理后的數(shù)據(jù)，將其再次轉(zhuǎn)為429數(shù)據(jù)發(fā)出。其器件復(fù)位時(shí)間要求最小200 ns，而目前設(shè)計(jì)值恰好為200 ns。由于元器件制造差異，絕大多數(shù)器件在此時(shí)間段能完成復(fù)位，功能正常。而少量器件偶發(fā)不能有效復(fù)位，導(dǎo)致故障。

3.2 解決措施

AT 模塊中的處理器為單片機(jī)，其正常工作時(shí)間必須晚于其他配套芯片，否則單片機(jī)無(wú)法完成啟動(dòng)BIT 自檢工作，故協(xié)議芯片的復(fù)位時(shí)間必須早于單片機(jī)復(fù)位時(shí)間。單片機(jī)復(fù)位是由外部復(fù)位芯片完成，其固定輸出為200 ms，429協(xié)議芯片由CPLD 根據(jù)外部時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行計(jì)數(shù)形成復(fù)位信號(hào)進(jìn)行復(fù)位，在保證不超過(guò)單片機(jī)處理器復(fù)位時(shí)間的情況下，增加429協(xié)議芯片復(fù)位時(shí)間延長(zhǎng)為100 ms。修改CPLD 復(fù)位電路軟件，修改后復(fù)位時(shí)間時(shí)序示意圖如圖6所示。修改程序后，反復(fù)驗(yàn)證，產(chǎn)品工作正常，故障消除。

圖6 加長(zhǎng)復(fù)位后時(shí)序示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了工程中ГOCT18977-89總線的應(yīng)用及本次偶發(fā)故障的定位分析過(guò)程。經(jīng)排查，最終確定根本原因是芯片復(fù)位電路設(shè)計(jì)臨界，不能適應(yīng)部分芯片的要求，使用過(guò)程中出現(xiàn)偶發(fā)性故障。集成電路未有效復(fù)位，其輸出將處于不確定狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)邏輯混亂從而引發(fā)功能故障。復(fù)位電路設(shè)計(jì)的好壞，直接影響著整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，不僅要保證滿足器件資料的要求，還需留出足夠余量，以滿足工程中元器件制造差異性的要求。本次通過(guò)對(duì)復(fù)位程序的優(yōu)化，成功地解決了這起隱蔽性故障。