機(jī)載CPU 板硬件故障診斷平臺(tái)的設(shè)計(jì)研究

趙祥師，汪 浩，喬兵克

（石家莊海山航空電子科技有限公司，石家莊 050200）

在航空航天領(lǐng)域，大量的機(jī)載設(shè)備得到了應(yīng)用，所以需要加強(qiáng)設(shè)備的控制管理，保證設(shè)備正常運(yùn)行。而在機(jī)載設(shè)備控制方面，CPU 板將發(fā)揮重要作用。但就目前來看，機(jī)載CPU 板容易出現(xiàn)硬件故障，從而給設(shè)備運(yùn)行帶來安全威脅。因此，還應(yīng)加強(qiáng)機(jī)載CPU 板硬件故障診斷平臺(tái)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的合理設(shè)計(jì)，促使機(jī)載設(shè)備可靠性得到提高。

1 機(jī)載CPU 板硬件故障診斷平臺(tái)設(shè)計(jì)原理

機(jī)載CPU 板為機(jī)載電子設(shè)備硬件電路的核心組成部分，一旦出現(xiàn)故障將直接威脅航空安全。采用傳統(tǒng)電路板故障診斷方法，難以對(duì)機(jī)載CPU 板故障點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)也將給電路分布參數(shù)帶來影響，因此無法進(jìn)行高頻硬件電路故障的實(shí)時(shí)處理[1]。為提高CPU 板軟硬件可靠性，實(shí)際在機(jī)載CPU 板設(shè)計(jì)時(shí)采用了多種容錯(cuò)技術(shù)，以應(yīng)對(duì)惡劣的機(jī)載工作環(huán)境。結(jié)合這一特點(diǎn)在CPU 板硬件故障診斷時(shí)，可以加強(qiáng)故障注入技術(shù)的應(yīng)用，通過對(duì)CPU 板硬件原型施加故障確定CPU 板運(yùn)行狀態(tài)，確定CPU 板能否達(dá)到容錯(cuò)設(shè)計(jì)要求。將得到的數(shù)據(jù)與無故障時(shí)的數(shù)據(jù)相比較，可以有效進(jìn)行故障分析和預(yù)測(cè)，因此也能使CPU 板硬件故障得到有效診斷。實(shí)際設(shè)計(jì)CPU 板硬件故障診斷平臺(tái)，需要在測(cè)試主機(jī)中進(jìn)行測(cè)試程序下載，然后進(jìn)行觸發(fā)模式的設(shè)定。利用平臺(tái)進(jìn)行故障診斷，可以在得到觸發(fā)后實(shí)現(xiàn)故障注入，然后完成程序運(yùn)行軌跡的記錄和分析，實(shí)現(xiàn)CPU 板故障點(diǎn)追蹤。采取該種措施，能夠加強(qiáng)CPU 板各路信號(hào)特征的把握，通過遍歷CPU 板完成所有硬件器件檢測(cè)，達(dá)到硬件故障診斷目標(biāo)。

2 機(jī)載CPU 板硬件故障診斷平臺(tái)設(shè)計(jì)方法

2.1 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

結(jié)合平臺(tái)設(shè)計(jì)原理，在平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，還要完成由測(cè)試接口電路、臺(tái)面接口板、測(cè)試探筆、電源和微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。被測(cè)CPU 板與臺(tái)面接口板連接，利用電源為二者供電。利用測(cè)試探筆，能夠?qū)PU 板與測(cè)試接口電路連接在一起。在微型計(jì)算機(jī)的控制下，可以進(jìn)行CPU 板硬件測(cè)試程序的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)故障檢測(cè)功能。從總體上來看，微型計(jì)算機(jī)為核心部件，需要在測(cè)試軟件控制下進(jìn)行硬件測(cè)試，向CPU 板注入故障信號(hào)，根據(jù)CPU 板響應(yīng)信號(hào)完成故障診斷。在對(duì)CPU 板硬件進(jìn)行測(cè)試時(shí)，平臺(tái)將由內(nèi)向外逐層擴(kuò)展，先完成整個(gè)電路板掃描測(cè)試，然后從核心電路開始向外擴(kuò)展，逐一完成CPU、時(shí)鐘等硬件電路測(cè)試。利用探筆，能夠進(jìn)行功能點(diǎn)信號(hào)提取分析，因此能夠?qū)崿F(xiàn)硬件故障定位，找到運(yùn)行狀態(tài)異常的硬件元器件，確定CPU 板的運(yùn)行情況，為故障維修提供支持。

2.2 平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

在平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)上，可以在CPU 板外圍增設(shè)排接插件，與CPU 板管腳對(duì)應(yīng)，用于連接測(cè)試探筆。探筆與測(cè)試接口電路連接采用扁平電纜，能夠借助插件針孔與被測(cè)CPU 板連接，進(jìn)行完整CPU 板信號(hào)的提供，并對(duì)模擬故障注入信號(hào)進(jìn)行提供。臺(tái)面接口電路與被測(cè)CPU 板利用插件針的插槽連接，能夠提供時(shí)鐘信號(hào)，完成信號(hào)電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電路的驅(qū)動(dòng)。在CPU 板正常運(yùn)行的狀態(tài)下，診斷平臺(tái)不會(huì)干涉CPU 板運(yùn)行。需要對(duì)CPU板進(jìn)行故障診斷時(shí)，微型計(jì)算機(jī)才會(huì)按照設(shè)定觸發(fā)模式進(jìn)行故障注入。設(shè)計(jì)的測(cè)試接口電路，包含總線仿真電路、轉(zhuǎn)換電路、測(cè)試信號(hào)采集電路、地址譯碼復(fù)現(xiàn)電路等多個(gè)部分，能夠?qū)崿F(xiàn)CPU板總線到測(cè)試總線的轉(zhuǎn)換，使總線得到緩沖和隔離。在微型計(jì)算機(jī)下達(dá)測(cè)試命令后，需要利用接口電路完成譯碼網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，根據(jù)電路板輸出地址總線信號(hào)完成譯碼分析，加強(qiáng)CPU 板程序運(yùn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果交互。通過總線仿真，CPU 板能夠完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊測(cè)試，也能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。實(shí)際采用平臺(tái)進(jìn)行硬件故障診斷，僅獲得CPU 板的輸入輸出端口信號(hào)無法實(shí)現(xiàn)故障定位。利用探筆進(jìn)行電路中間信號(hào)的提取，可以實(shí)現(xiàn)故障精確定位，因此能夠滿足故障診斷需求。

2.3 平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

在CPU 板硬件故障檢測(cè)時(shí)，需要配合硬件進(jìn)行測(cè)試，利用數(shù)據(jù)和地址總線完成測(cè)試系統(tǒng)和被測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換，直接完成外部接口地址選定，使測(cè)試系統(tǒng)成為CPU 板外部設(shè)備。機(jī)載CPU板通常采用486芯片，采用精簡(jiǎn)指令集和突發(fā)總線傳送方式，能夠與內(nèi)存實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)交換，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令。采用CPU 倍頻技術(shù)，能夠使外部設(shè)備承受的工作頻率得到提高，從而使CPU 主頻得到提高。通過對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行訪問，能夠?qū)⑾到y(tǒng)控制命令和信號(hào)輸入到總線上，利用測(cè)試程序展開分析。如果發(fā)現(xiàn)得到的數(shù)據(jù)存在異常，說明CPU 核心部件存在問題。如果能夠正常測(cè)試，還要進(jìn)一步進(jìn)行擴(kuò)展測(cè)試，按照硬件電路逐塊完成功能測(cè)試，確定CPU 板硬件能否正常工作。結(jié)合這一流程進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，需要利用C 語(yǔ)言完成輸入輸出模塊的編寫，然后在VC++環(huán)境下進(jìn)行主控程序編寫。采用輸入輸出模塊，能夠進(jìn)行各種功能函數(shù)的提供，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)初始化操作，提供基本輸入輸出函數(shù)。在主控程序編寫上，需要完成人機(jī)界面設(shè)計(jì)，提供故障診斷和故障定位程序。此外，為保證用戶能夠利用探筆進(jìn)行故障點(diǎn)檢測(cè)，平臺(tái)主控程序需要提供電路板圖形化提示，使被測(cè)點(diǎn)位置保持高亮狀態(tài)。利用平臺(tái)，能夠?qū)Χ鄠€(gè)故障點(diǎn)進(jìn)行定義，在注入故障后運(yùn)行至故障點(diǎn)地址需要完成邏輯追蹤，確認(rèn)CPU 板是否存在硬件故障[2]。從平臺(tái)運(yùn)行效果來看，采用該方法能夠?qū)PU 板的寄存器、存儲(chǔ)器、譯碼電路和I/O 接口等部件故障進(jìn)行檢測(cè)，因此能夠滿足故障診斷要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)機(jī)載CPU 板，需要加強(qiáng)硬件故障診斷和排查，以便使機(jī)載電子元器件能夠正常工作，保證機(jī)載電子設(shè)備的安全運(yùn)行。設(shè)計(jì)機(jī)載CPU 板硬件診斷平臺(tái)，可以通過故障注入測(cè)試完成硬件故障查找，通過故障定位加強(qiáng)CPU 板運(yùn)行管理，因此能夠提高機(jī)載電子設(shè)備故障維修水平，保證機(jī)載設(shè)備的安全性。