機(jī)載1394 總線故障定位方法研究

謝恩陽 蔣江濤/中國飛行試驗(yàn)研究院

0 引言

飛機(jī)機(jī)載設(shè)備布局采用分布式設(shè)計(jì)，綜合管理處理機(jī)與各子系統(tǒng)設(shè)備之間的通信與管理依靠高速串行總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在維修保障中，各子系統(tǒng)設(shè)備與綜合管理處理機(jī)之間的1394 總線通信狀態(tài)是日常檢查的重中之重，總線通信故障會(huì)直接導(dǎo)致某一子系統(tǒng)處于離線狀態(tài)，其工作狀態(tài)和各項(xiàng)健康指標(biāo)不能上傳至健康管理系統(tǒng)，嚴(yán)重影響日常飛行進(jìn)程。飛機(jī)傳感器系統(tǒng)眾多，軟件版本更迭頻繁，1394 通信配置軟件需要伴隨飛機(jī)平臺(tái)升級(jí)而進(jìn)行通信配置軟件升級(jí)，1394 通信配置軟件更新的成功與否直接決定著后續(xù)各子系統(tǒng)升級(jí)工作能否繼續(xù)進(jìn)行。在歷次飛機(jī)軟件升級(jí)和日常維護(hù)保障中，多次發(fā)生1394 總線故障導(dǎo)致的升級(jí)工作進(jìn)程滯后，影響飛行計(jì)劃的情況。通過對(duì)1394 總線協(xié)議原理及框架簡析，分析總結(jié)機(jī)載1394 總線故障，提出改進(jìn)機(jī)載1394總線維護(hù)方法，便于后續(xù)檢查維護(hù)。

1 1394 總線簡介

機(jī)載1394B 總線協(xié)議是一種高性能半雙工串行總線標(biāo)準(zhǔn)。1995 年，國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）以FireWire（火線）技術(shù)為基礎(chǔ)定義了IEEE 1394—1995 規(guī)范[1]，隨后由國際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)（SAE）對(duì)1394B 協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)性及可靠性規(guī)范約束形成現(xiàn)行的軍用和宇航應(yīng)用領(lǐng)域1394B 接口標(biāo)準(zhǔn)，簡稱軍用1394B（MIL-1394B）標(biāo)準(zhǔn)。

該標(biāo)準(zhǔn)定義了控制計(jì)算機(jī)（Control Computer，CC）和遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)（Remote Node，RN），控制節(jié)點(diǎn)作為總線的根節(jié)點(diǎn)，以固定周期發(fā)送消息包（Start of Frame，STOF）定義循環(huán)開始包來同步總線上所有節(jié)點(diǎn)。其他RN 檢測STOF消息包的到達(dá)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

1.1 1394 總線功能簡介

根據(jù)1394 標(biāo)準(zhǔn)配置為控制節(jié)點(diǎn)的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)以下的功能。

a.按照系統(tǒng)定義的周期發(fā)送ST0F消息包；

b.可獲取總線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D、速率表、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)；

c.獲得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的連接狀態(tài)；

d.提供自身狀態(tài)；

e.提供消息的發(fā)送緩沖和接收緩沖；

f.作為循環(huán)控制器時(shí)，可以發(fā)送周期125μs 的循環(huán)啟動(dòng)包。

根據(jù)1394 標(biāo)準(zhǔn)配置為RN 設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)以下的功能。

a.監(jiān)聽STOF 消息，并根據(jù)STOF消息更新相關(guān)偏移；

b.發(fā)送自身連接狀態(tài)給控制CC 節(jié)點(diǎn)；

c.監(jiān)聽系統(tǒng)為該節(jié)點(diǎn)分配的通道及廣播通道，接收網(wǎng)絡(luò)中到該通道的數(shù)據(jù)包；

d.對(duì)不是該通道的數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；

e.提供消息的發(fā)送緩沖和接收緩沖。

1394 總線通信示意圖如圖1 所示。

1.2 1394 總線框架

整個(gè)飛機(jī)系統(tǒng)的核心是一臺(tái)綜合管理處理機(jī)(IMC/CC)，通過1394 總線連接了超過30 個(gè)RN 單元，總線上每個(gè)RN 采集機(jī)載設(shè)備前端的模擬信號(hào)和離散量信號(hào)，將這些數(shù)據(jù)處理后，通過1394 總線傳送給綜合管理處理機(jī)，同時(shí)RN 也執(zhí)行綜合管理處理機(jī)發(fā)布的控制指令，RN 為上電控制、離散量采集等子系統(tǒng)提供服務(wù)，并作為子系統(tǒng)控制器與子系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器、開關(guān)等構(gòu)成多個(gè)子系統(tǒng)。機(jī)載1394 總線框架如圖2 所示。

圖1 1394B總線通信示意圖

圖2 機(jī)載1394總線框架圖

2 綜合管理處理機(jī)與機(jī)載設(shè)備構(gòu)成的1394 環(huán)網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ?/h2>

2.1 飛機(jī)1394 環(huán)網(wǎng)構(gòu)成

飛機(jī)1394環(huán)網(wǎng)由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，包括綜合管理處理系統(tǒng)（CC 節(jié)點(diǎn)）、顯控系統(tǒng)（RN 節(jié)點(diǎn)）、導(dǎo)航系統(tǒng)（RN節(jié)點(diǎn)）、通信系統(tǒng)（RN 節(jié)點(diǎn)）等，各子系統(tǒng)設(shè)備分布在機(jī)上不同位置，RN節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過1394 總線與CC 節(jié)點(diǎn)綜合管理處理機(jī)進(jìn)行通信并響應(yīng)執(zhí)行命令，綜合管理處理機(jī)與各子系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成1394 總線環(huán)網(wǎng)。

2.2 飛機(jī)1394 環(huán)網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ?/h3>

機(jī)載設(shè)備通過總線連接形成1394總線環(huán)網(wǎng)，將其分布狀態(tài)整理優(yōu)化形成總線拓?fù)淠Ｐ停又庇^和接近總線配置終端的管理狀態(tài)。飛機(jī)1394 環(huán)網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ腿鐖D3 所示。

3 1394 環(huán)網(wǎng)設(shè)備通信配置軟件升級(jí)失敗原因分析

1394 通信配置升級(jí)中出現(xiàn)的故障分為三大類。第一類為1394 通信配置加載設(shè)備軟件與機(jī)上1394 通信配置軟件版本不一致；第二類為1394 配置加載設(shè)備與機(jī)載總線通信電纜阻抗不匹配；第三類為機(jī)載設(shè)備CC 節(jié)點(diǎn)或RN 節(jié)點(diǎn)的1394 子卡通信故障。

1)通信配置加載設(shè)備與機(jī)上1394設(shè)備軟件版本不符合

在飛機(jī)進(jìn)行大規(guī)模軟件升級(jí)時(shí)，需對(duì)全機(jī)1394 總線CC/RN 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行總線通信配置升級(jí)，在進(jìn)行總線通信配置升級(jí)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)配置升級(jí)失敗或個(gè)別終端節(jié)點(diǎn)無響應(yīng)的情況，甚至出現(xiàn)機(jī)載設(shè)備終端1394 子卡故障掉線，需調(diào)整機(jī)載設(shè)備1394 子卡的情況。通過檢查分析發(fā)現(xiàn)，升級(jí)終端設(shè)備的1394 通信配置軟件與機(jī)上現(xiàn)有的1394 通信配置軟件版本不一致，誤碼率較高導(dǎo)致地面升級(jí)終端設(shè)備與機(jī)上CC/RN 節(jié)點(diǎn)設(shè)備通信異常[2]，系統(tǒng)判斷CC/RN 節(jié)點(diǎn)掉線，無法進(jìn)行升級(jí)數(shù)據(jù)包的傳輸。

2)配置加載設(shè)備與機(jī)載總線通信電纜阻抗不匹配

總線配置加載設(shè)備與機(jī)上進(jìn)行連接的總線通信電纜也存在差分阻抗過大無法與機(jī)載CC/RN 節(jié)點(diǎn)通信的問題。通過對(duì)不同批次機(jī)型進(jìn)行交叉驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，差分阻抗過大的電纜與后期批次的飛機(jī)進(jìn)行連接時(shí)可正常通信，與較早批次通信時(shí)會(huì)出現(xiàn)連接失敗、無響應(yīng)等情況。通過對(duì)通信電纜批次進(jìn)行查詢發(fā)現(xiàn)，該通信電纜為后期制造電纜，其差分阻抗與后續(xù)批次飛機(jī)的CC/RN 節(jié)點(diǎn)阻抗匹配度較高。判斷為該電纜不適用于早期批次的飛機(jī)，后續(xù)在進(jìn)行1394 通信配置升級(jí)時(shí)根據(jù)升級(jí)飛機(jī)的具體批次，選擇與該批次飛機(jī)阻抗匹配的通信電纜。

3) 機(jī) 載 設(shè) 備CC 節(jié) 點(diǎn) 或RN 節(jié) 點(diǎn)1394 子卡通信故障

圖3 飛機(jī)1394環(huán)網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ?/p>

機(jī)載設(shè)備分布在飛機(jī)的各個(gè)部位，其長時(shí)間受振動(dòng)及高溫影響會(huì)出現(xiàn)設(shè)備內(nèi)1394 總線通信子卡損壞、虛接等成品質(zhì)量問題，機(jī)載成品內(nèi)1394 通信子卡問題會(huì)導(dǎo)致機(jī)載設(shè)備無法與核心處理單元IMC 進(jìn)行通信，設(shè)備無法正常上線工作的情況，在1394 通信配置升級(jí)中則表現(xiàn)為遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)RN 不上線，任務(wù)1394 環(huán)網(wǎng)不通導(dǎo)致通信配置升級(jí)失敗，環(huán)網(wǎng)不通時(shí)需進(jìn)行機(jī)載成品故障排查與隔離工作，成品1394 子卡通信故障解決后需重新對(duì)整個(gè)環(huán)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)燒寫，此前燒寫成功的機(jī)載設(shè)備通信配置需要重新覆蓋，此過程嚴(yán)重影響飛機(jī)平臺(tái)升級(jí)工作的推進(jìn)。

以上三條故障會(huì)導(dǎo)致通信配置加載設(shè)備與機(jī)載1394 環(huán)網(wǎng)設(shè)備無法建立通信或通信配置軟件進(jìn)行加載時(shí)中途燒寫失敗。1394 通信配置軟件升級(jí)失敗會(huì)直接影響1394 總線環(huán)網(wǎng)上的機(jī)載設(shè)備能否進(jìn)行下一步的機(jī)載成品升級(jí)。

中途出現(xiàn)配置軟件燒寫失敗還會(huì)導(dǎo)致整機(jī)或機(jī)載設(shè)備上電狀態(tài)異常，1394環(huán)網(wǎng)上連接的機(jī)載成品無法上報(bào)設(shè)備狀態(tài)、軟件版本、校準(zhǔn)參數(shù)等信息，同時(shí)飛機(jī)系統(tǒng)操作界面也會(huì)出現(xiàn)操作畫面異常。

4 總線通信典型故障分析

1)機(jī)載設(shè)備間1394 總線電纜故障

在飛機(jī)進(jìn)行通電檢查時(shí)，綜合告警上報(bào)顯控總線通信故障，顯示器無法正常顯示飛機(jī)消耗品參數(shù)，對(duì)顯示管理處理機(jī)和顯示器進(jìn)行離位檢查，顯示管理處理機(jī)和顯示器工作正常，裝機(jī)后故障現(xiàn)象依舊，隨后對(duì)通信電纜進(jìn)行重點(diǎn)檢查，發(fā)現(xiàn)飛行管理計(jì)算機(jī)與顯示管理處理機(jī)的1394 總線電纜在設(shè)備艙中與飛機(jī)隔框有磨損，導(dǎo)致總線電纜破裂，電纜與機(jī)體搭接造成總線通信故障。

總線電纜故障一直是各型飛機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)的通信類故障，由于電纜的長時(shí)間磨損或老化導(dǎo)致屏蔽層開裂，線芯斷路、短路的情況。其故障位置隱蔽，難以查找，常誤導(dǎo)排故人員進(jìn)行機(jī)載成品串換件隔離故障，工作量大，風(fēng)險(xiǎn)較高。且發(fā)現(xiàn)電纜故障后，更換電纜困難，個(gè)別電纜所在位置狹小，而且多次穿艙，更換故障電纜需要飛機(jī)停飛并拆除大量機(jī)載設(shè)備成品。

2)機(jī)載設(shè)備內(nèi)部功能電路與1394子卡通信故障

飛機(jī)進(jìn)行試車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)大狀態(tài)下綜合告警信息閃爍航姿系統(tǒng)通信斷，慢車狀態(tài)下恢復(fù)正常，靜態(tài)通電檢查各項(xiàng)功能均正常，對(duì)航姿設(shè)備進(jìn)行離位檢查，在振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在大振動(dòng)狀態(tài)下，1394 通信狀態(tài)異常，隨后對(duì)該設(shè)備進(jìn)行拆解發(fā)現(xiàn)1394 通信子卡與設(shè)備功能電路板的電連接器處有松動(dòng)跡象，更換電連接器后在振動(dòng)試驗(yàn)中通信正常，裝機(jī)試車檢查航姿設(shè)備工作恢復(fù)正常。

機(jī)載設(shè)備內(nèi)部大部分功能電路為集成電路模塊，元器件密集，電路集成度較高，設(shè)備功能電路與1394 子卡一般通過插槽式電連接器進(jìn)行插接。隨著飛機(jī)飛行小時(shí)的增加，1394 子卡電連接器受沖擊和振動(dòng)影響會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)。在功能電路中存在1394 子卡供電的電路，供電電路的容性器件老化和連接器松動(dòng)會(huì)造成1394 子卡供電或通信異常，綜合管理處理機(jī)（CC 節(jié)點(diǎn)）檢測到通信異常會(huì)上報(bào)設(shè)備通信故障，并形成告警信息傳遞至人機(jī)交互界面。

5 1394 總線維護(hù)要點(diǎn)

針對(duì)1394 總線通信配置升級(jí)失敗和總線通信故障對(duì)飛行計(jì)劃產(chǎn)生的滯后影響，結(jié)合具體原因分析，應(yīng)從以下方面進(jìn)行預(yù)防和改進(jìn)。

1)在后續(xù)的飛機(jī)平臺(tái)1394 通信配置軟件升級(jí)前，提前確認(rèn)好軟件配置加載設(shè)備與機(jī)上設(shè)備通信軟件版本是否一致，及時(shí)協(xié)調(diào)版本匹配的加載設(shè)備。

2)確認(rèn)飛機(jī)批次及通信電纜批次，確保飛機(jī)與電纜的差分阻抗能正常匹配。

3)在升級(jí)工作開始前使用1394 環(huán)網(wǎng)檢測設(shè)備對(duì)機(jī)上各1394 節(jié)點(diǎn)設(shè)備間進(jìn)行通信檢查，確保機(jī)載1394 環(huán)網(wǎng)設(shè)備的通信子卡工作正常，環(huán)網(wǎng)設(shè)備構(gòu)成環(huán)網(wǎng)功能正常。

4)在日常工作中加強(qiáng)對(duì)機(jī)載1394總線電纜的檢查，結(jié)合飛機(jī)周期性工作對(duì)其設(shè)備端插頭、電纜穿艙連接處重點(diǎn)進(jìn)行檢查。確保機(jī)載1394 通信電纜狀態(tài)良好無磨損或斷裂情況。

通過上述措施可避免后期飛機(jī)平臺(tái)大升級(jí)時(shí)因1394 通信配置加載失敗的原因?qū)е氯珯C(jī)無法上電，或影響任務(wù)系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)機(jī)載成品的后續(xù)升級(jí)。

6 總結(jié)

通過飛機(jī)平臺(tái)軟件升級(jí)和總線通信故障排故工作，逐漸摸清機(jī)載設(shè)備1394環(huán)網(wǎng)拓?fù)淝闆r，對(duì)機(jī)載1394 總線協(xié)議進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際工作，建立機(jī)載1394 環(huán)網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ汀？偨Y(jié)配置軟件升級(jí)失敗的原因和總線通信故障，提出相應(yīng)的維護(hù)檢查方法，為后續(xù)1394 通信配置軟件升級(jí)或日常維護(hù)工作提供檢查和排故參考，提高裝備保障能力。