一种基于故障树的FC总线接口模块故障分析方法

武坚 朱志强 孙东旭

摘要：光纤通信总线（以下简称“FC总线”）接口模块已广泛应用于航空多种通信网络环境中，为网络中各子系统之间的互联提供通信支持。因其使用环境复杂，功能电路种类繁多，在出现故障时往往难以分析和定位。该文对标准FC总线接口模块的工作原理进行了分析，完成了适用于多型FC总线接口模块的故障树建模，可对主要的故障模式进行迅速分析和定位排查，提升了产品的维修性和维修效率。

关键词：FC总线接口模块;故障树

中图分类号：TP3        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）11-0041-02

1 介绍

FC总线具备高带宽、低延迟、高可靠等特性[1]，能够满足当前网络环境中对带宽和数据传输实时性的较高要求，目前符合FC-AE-ASM协议的FC总线接口模块已作为FC网络的核心接口设备，广泛应用于航空产品的通信网络系统，为各子系统之间的互联提供通信支持[2]。随着FC网络作为主干网络在多种通信模式中加以应用，以及FC总线接口模块配套和使用数量的日益增加，FC网络通信出现故障的情况也日益增多。由于FC总线接口模块故障涉及供电电路故障、时钟电路故障、光电收发器故障等多种故障模式，故障分析及定位排查非常困难。本文选取自顶向下识别系统故障的故障树建模分析法[3]，结合FC总线接口模块工作原理进行建模及分析，提供了一种通用的故障分析方法，提升了模块的维修性及故障排查定位的工作效率。

2 FC总线接口模块工作原理

标准的FC总线接口模块基于FPGA进行设计，以FPGA作为核心器件，在外围设计为产品供电的电源电路、提供通信频点的时钟电路，以及对外通信的FC通信接口和主机通信接口等功能电路，总体结构框图见图1。

FC总线接口常采用5V进行供电，通过电源电路的设计，将5V转换为模块内部所需的3.3V等DC/DC电源和为高速I/O管脚供电的线性电源，高速串行I/O对电源的品质有较高的要求，它需要良好的纹波特性，因此电源电路除了要求采用性能良好的电源模块以外，每路I/O都需要加一个指定的电容和磁珠。为了保证FC总线接口模块兼容不同网络的通信速率，在时钟电路中通过晶体振荡器来提供FC工作所需的212.5MHz时钟及40MHz的系统时钟。同时搭建存储电路，使用FLASH芯片作为FPGA底层应用和上层配置路由表信息的存储芯片。复位电路的存在则为了避免模块在上电过程出现不稳态，总线信号冲突等异常状况，通过设计外置上下拉电阻可以将复位信号保持为固定状态。FC总线的电信号通过光电收发器电路进行转换，通过高速直流耦合使串行链路达到最优化，适合于短距离高速数据通信。具体工作流程见图2。

3 通用故障树建模分析

FC总线接口模块在实际的应用环境中，存在多种因模块各功能电路失效导致的故障模式，从网络的系统层面来看，模块无法正常工作最终导致的故障即为FC通信失败，使用接口模块的子系统FC不上线。本文结合标准FC总线接口模块的功能电路设计及工作原理，选取最常见的FC不上线故障建立故障树，将其作为故障树分析的顶事件，建立针对此类故障的通用故障分析模型如下图3所示。

图3中列出的7种故障模式与顶事件的具体关系分析如下：

（1）电源电路存在异常，会导致模块无法正常启动或工作异常，最终导致FC不上线故障;

（2）时钟电路用以保证接口模块各时序电路、使用到时钟信号的相关器件的正常运行，若存在时钟电路故障，存在时钟信号频点异常等现象，则会导致功能电路运行故障，最终导致顶事件发生;

（3）复位电路故障，会导致FC节点启动异常、复位不受控、最终导致FC不上线的故障现象;

（4）FPGA作为模块的核心器件，提供多个高速I/O接口，它的失效将导致整个接口模块功能丧失;

（5）PCI-E链路作为与主机端通信的关键链路，若发生故障，就会导致主机访问出错，最终无法通信;

（6）存储电路用以存储FC配置信息和应用软件，当存储电路故障时，FPGA无法获取工作所需的必要信息，将会导致FC不上线故障的发生;

（7）光电收发器电路故障，会导致通信光纤不发光，FC通信链路工作异常，最终导致顶事件发生。

由上述分析可知，7种故障模式均可导致顶事件的发生，因此选择“与门”将各事件进行串联。在FC总线接口模块遇到故障时，只需按照通用故障树中A1-A7的事件顺序逐项进行分析排查，各分支事件的具体分析排查方法见表1。

按照图3中给出的FC总线接口模块的通用故障树及表1中的测试方法，在遇到故障时可快速开展分析排查工作，在分析时根据产品实际测量值与标准值的对比，再结合产品的原理分析，就可以快速完成FC总线接口模块的故障定位，有效节省了排故时间。

4 结束语

FC总线接口模块承担了系统数据交互的任务，其应用分布于飞机的各个区域，对其进行快速的故障分析和排查定位具有重要意义。本文提出了一种基于故障树的FC总线接口模块的故障分析方法，通过分析接口模块的使用场景，确认了故障树分析建模中的顶事件，并根据接口模块的结构和工作原理设计了通用的故障树，给出了通用故障树中各分支事件故障的具体分析方法，为FC接口模块各类故障的分析定位提供了理论指导，提升了产品的维修性和故障定位效率。

参考文献：

[1] 俞大磊，何立军，解文涛.FC统一光纤网络在综合化航电系统中的应用[J].电子技术，2016，45（5）：77-79.

[2] 張青峰，葛晨，秦正运.航空数据总线技术分析与发展[J].电子技术与软件工程，2019（12）：150-151.

[3] 郭强，王秋芳，刘树林，等.系统可靠性理论：模型、统计方法及应用[M].北京：国防工业出版社，2011.

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