机载CPU 板硬件故障诊断平台的设计研究

2019-02-13赵祥师乔兵克

数字通信世界 2019年5期

赵祥师，汪浩，乔兵克

（石家庄海山航空电子科技有限公司，石家庄 050200）

在航空航天领域，大量的机载设备得到了应用，所以需要加强设备的控制管理，保证设备正常运行。而在机载设备控制方面，CPU 板将发挥重要作用。但就目前来看，机载CPU 板容易出现硬件故障，从而给设备运行带来安全威胁。因此，还应加强机载CPU 板硬件故障诊断平台的研发，实现平台的合理设计，促使机载设备可靠性得到提高。

1 机载CPU 板硬件故障诊断平台设计原理

机载CPU 板为机载电子设备硬件电路的核心组成部分，一旦出现故障将直接威胁航空安全。采用传统电路板故障诊断方法，难以对机载CPU 板故障点信号进行测量，同时也将给电路分布参数带来影响，因此无法进行高频硬件电路故障的实时处理[1]。为提高CPU 板软硬件可靠性，实际在机载CPU 板设计时采用了多种容错技术，以应对恶劣的机载工作环境。结合这一特点在CPU 板硬件故障诊断时，可以加强故障注入技术的应用，通过对CPU 板硬件原型施加故障确定CPU 板运行状态，确定CPU 板能否达到容错设计要求。将得到的数据与无故障时的数据相比较，可以有效进行故障分析和预测，因此也能使CPU 板硬件故障得到有效诊断。实际设计CPU 板硬件故障诊断平台，需要在测试主机中进行测试程序下载，然后进行触发模式的设定。利用平台进行故障诊断，可以在得到触发后实现故障注入，然后完成程序运行轨迹的记录和分析，实现CPU 板故障点追踪。采取该种措施，能够加强CPU 板各路信号特征的把握，通过遍历CPU 板完成所有硬件器件检测，达到硬件故障诊断目标。

2 机载CPU 板硬件故障诊断平台设计方法

2.1 平台总体设计

结合平台设计原理，在平台结构设计上，还要完成由测试接口电路、台面接口板、测试探笔、电源和微型计算机构成的诊断系统设计。被测CPU 板与台面接口板连接，利用电源为二者供电。利用测试探笔，能够将CPU 板与测试接口电路连接在一起。在微型计算机的控制下，可以进行CPU 板硬件测试程序的调用，实现平台故障检测功能。从总体上来看，微型计算机为核心部件，需要在测试软件控制下进行硬件测试，向CPU 板注入故障信号，根据CPU 板响应信号完成故障诊断。在对CPU 板硬件进行测试时，平台将由内向外逐层扩展，先完成整个电路板扫描测试，然后从核心电路开始向外扩展，逐一完成CPU、时钟等硬件电路测试。利用探笔，能够进行功能点信号提取分析，因此能够实现硬件故障定位，找到运行状态异常的硬件元器件，确定CPU 板的运行情况，为故障维修提供支持。

2.2 平台硬件设计

在平台硬件设计上，可以在CPU 板外围增设排接插件，与CPU 板管脚对应，用于连接测试探笔。探笔与测试接口电路连接采用扁平电缆，能够借助插件针孔与被测CPU 板连接，进行完整CPU 板信号的提供，并对模拟故障注入信号进行提供。台面接口电路与被测CPU 板利用插件针的插槽连接，能够提供时钟信号，完成信号电平转换，实现负载电路的驱动。在CPU 板正常运行的状态下，诊断平台不会干涉CPU 板运行。需要对CPU板进行故障诊断时，微型计算机才会按照设定触发模式进行故障注入。设计的测试接口电路，包含总线仿真电路、转换电路、测试信号采集电路、地址译码复现电路等多个部分，能够实现CPU板总线到测试总线的转换，使总线得到缓冲和隔离。在微型计算机下达测试命令后，需要利用接口电路完成译码网络的建设，根据电路板输出地址总线信号完成译码分析，加强CPU 板程序运行监控，实现测试数据和测试结果交互。通过总线仿真，CPU 板能够完成数据存储模块测试，也能实现数据交换。实际采用平台进行硬件故障诊断，仅获得CPU 板的输入输出端口信号无法实现故障定位。利用探笔进行电路中间信号的提取，可以实现故障精确定位，因此能够满足故障诊断需求。

2.3 平台软件设计

在CPU 板硬件故障检测时，需要配合硬件进行测试，利用数据和地址总线完成测试系统和被测系统数据交换，直接完成外部接口地址选定，使测试系统成为CPU 板外部设备。机载CPU板通常采用486芯片，采用精简指令集和突发总线传送方式，能够与内存实现快速数据交换，在一个时钟周期内执行一条指令。采用CPU 倍频技术，能够使外部设备承受的工作频率得到提高，从而使CPU 主频得到提高。通过对外部设备进行访问，能够将系统控制命令和信号输入到总线上，利用测试程序展开分析。如果发现得到的数据存在异常，说明CPU 核心部件存在问题。如果能够正常测试，还要进一步进行扩展测试，按照硬件电路逐块完成功能测试，确定CPU 板硬件能否正常工作。结合这一流程进行软件设计，需要利用C 语言完成输入输出模块的编写，然后在VC++环境下进行主控程序编写。采用输入输出模块，能够进行各种功能函数的提供，实现平台初始化操作，提供基本输入输出函数。在主控程序编写上，需要完成人机界面设计，提供故障诊断和故障定位程序。此外，为保证用户能够利用探笔进行故障点检测，平台主控程序需要提供电路板图形化提示，使被测点位置保持高亮状态。利用平台，能够对多个故障点进行定义，在注入故障后运行至故障点地址需要完成逻辑追踪，确认CPU 板是否存在硬件故障[2]。从平台运行效果来看，采用该方法能够对CPU 板的寄存器、存储器、译码电路和I/O 接口等部件故障进行检测，因此能够满足故障诊断要求。