一種基于故障樹的FC總線接口模塊故障分析方法

武堅(jiān) 朱志強(qiáng) 孫東旭

摘要：光纖通信總線（以下簡稱“FC總線”）接口模塊已廣泛應(yīng)用于航空多種通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，為網(wǎng)絡(luò)中各子系統(tǒng)之間的互聯(lián)提供通信支持。因其使用環(huán)境復(fù)雜，功能電路種類繁多，在出現(xiàn)故障時(shí)往往難以分析和定位。該文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)FC總線接口模塊的工作原理進(jìn)行了分析，完成了適用于多型FC總線接口模塊的故障樹建模，可對(duì)主要的故障模式進(jìn)行迅速分析和定位排查，提升了產(chǎn)品的維修性和維修效率。

關(guān)鍵詞：FC總線接口模塊;故障樹

中圖分類號(hào)：TP3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）11-0041-02

1 介紹

FC總線具備高帶寬、低延遲、高可靠等特性[1]，能夠滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中對(duì)帶寬和數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的較高要求，目前符合FC-AE-ASM協(xié)議的FC總線接口模塊已作為FC網(wǎng)絡(luò)的核心接口設(shè)備，廣泛應(yīng)用于航空產(chǎn)品的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為各子系統(tǒng)之間的互聯(lián)提供通信支持[2]。隨著FC網(wǎng)絡(luò)作為主干網(wǎng)絡(luò)在多種通信模式中加以應(yīng)用，以及FC總線接口模塊配套和使用數(shù)量的日益增加，F(xiàn)C網(wǎng)絡(luò)通信出現(xiàn)故障的情況也日益增多。由于FC總線接口模塊故障涉及供電電路故障、時(shí)鐘電路故障、光電收發(fā)器故障等多種故障模式，故障分析及定位排查非常困難。本文選取自頂向下識(shí)別系統(tǒng)故障的故障樹建模分析法[3]，結(jié)合FC總線接口模塊工作原理進(jìn)行建模及分析，提供了一種通用的故障分析方法，提升了模塊的維修性及故障排查定位的工作效率。

2 FC總線接口模塊工作原理

標(biāo)準(zhǔn)的FC總線接口模塊基于FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)，以FPGA作為核心器件，在外圍設(shè)計(jì)為產(chǎn)品供電的電源電路、提供通信頻點(diǎn)的時(shí)鐘電路，以及對(duì)外通信的FC通信接口和主機(jī)通信接口等功能電路，總體結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

FC總線接口常采用5V進(jìn)行供電，通過電源電路的設(shè)計(jì)，將5V轉(zhuǎn)換為模塊內(nèi)部所需的3.3V等DC/DC電源和為高速I/O管腳供電的線性電源，高速串行I/O對(duì)電源的品質(zhì)有較高的要求，它需要良好的紋波特性，因此電源電路除了要求采用性能良好的電源模塊以外，每路I/O都需要加一個(gè)指定的電容和磁珠。為了保證FC總線接口模塊兼容不同網(wǎng)絡(luò)的通信速率，在時(shí)鐘電路中通過晶體振蕩器來提供FC工作所需的212.5MHz時(shí)鐘及40MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘。同時(shí)搭建存儲(chǔ)電路，使用FLASH芯片作為FPGA底層應(yīng)用和上層配置路由表信息的存儲(chǔ)芯片。復(fù)位電路的存在則為了避免模塊在上電過程出現(xiàn)不穩(wěn)態(tài)，總線信號(hào)沖突等異常狀況，通過設(shè)計(jì)外置上下拉電阻可以將復(fù)位信號(hào)保持為固定狀態(tài)。FC總線的電信號(hào)通過光電收發(fā)器電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過高速直流耦合使串行鏈路達(dá)到最優(yōu)化，適合于短距離高速數(shù)據(jù)通信。具體工作流程見圖2。

3 通用故障樹建模分析

FC總線接口模塊在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中，存在多種因模塊各功能電路失效導(dǎo)致的故障模式，從網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)層面來看，模塊無法正常工作最終導(dǎo)致的故障即為FC通信失敗，使用接口模塊的子系統(tǒng)FC不上線。本文結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)FC總線接口模塊的功能電路設(shè)計(jì)及工作原理，選取最常見的FC不上線故障建立故障樹，將其作為故障樹分析的頂事件，建立針對(duì)此類故障的通用故障分析模型如下圖3所示。

圖3中列出的7種故障模式與頂事件的具體關(guān)系分析如下：

（1）電源電路存在異常，會(huì)導(dǎo)致模塊無法正常啟動(dòng)或工作異常，最終導(dǎo)致FC不上線故障;

（2）時(shí)鐘電路用以保證接口模塊各時(shí)序電路、使用到時(shí)鐘信號(hào)的相關(guān)器件的正常運(yùn)行，若存在時(shí)鐘電路故障，存在時(shí)鐘信號(hào)頻點(diǎn)異常等現(xiàn)象，則會(huì)導(dǎo)致功能電路運(yùn)行故障，最終導(dǎo)致頂事件發(fā)生;

（3）復(fù)位電路故障，會(huì)導(dǎo)致FC節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)異常、復(fù)位不受控、最終導(dǎo)致FC不上線的故障現(xiàn)象;

（4）FPGA作為模塊的核心器件，提供多個(gè)高速I/O接口，它的失效將導(dǎo)致整個(gè)接口模塊功能喪失;

（5）PCI-E鏈路作為與主機(jī)端通信的關(guān)鍵鏈路，若發(fā)生故障，就會(huì)導(dǎo)致主機(jī)訪問出錯(cuò)，最終無法通信;

（6）存儲(chǔ)電路用以存儲(chǔ)FC配置信息和應(yīng)用軟件，當(dāng)存儲(chǔ)電路故障時(shí)，F(xiàn)PGA無法獲取工作所需的必要信息，將會(huì)導(dǎo)致FC不上線故障的發(fā)生;

（7）光電收發(fā)器電路故障，會(huì)導(dǎo)致通信光纖不發(fā)光，F(xiàn)C通信鏈路工作異常，最終導(dǎo)致頂事件發(fā)生。

由上述分析可知，7種故障模式均可導(dǎo)致頂事件的發(fā)生，因此選擇“與門”將各事件進(jìn)行串聯(lián)。在FC總線接口模塊遇到故障時(shí)，只需按照通用故障樹中A1-A7的事件順序逐項(xiàng)進(jìn)行分析排查，各分支事件的具體分析排查方法見表1。

按照?qǐng)D3中給出的FC總線接口模塊的通用故障樹及表1中的測試方法，在遇到故障時(shí)可快速開展分析排查工作，在分析時(shí)根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比，再結(jié)合產(chǎn)品的原理分析，就可以快速完成FC總線接口模塊的故障定位，有效節(jié)省了排故時(shí)間。

4 結(jié)束語

FC總線接口模塊承擔(dān)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的任務(wù)，其應(yīng)用分布于飛機(jī)的各個(gè)區(qū)域，對(duì)其進(jìn)行快速的故障分析和排查定位具有重要意義。本文提出了一種基于故障樹的FC總線接口模塊的故障分析方法，通過分析接口模塊的使用場景，確認(rèn)了故障樹分析建模中的頂事件，并根據(jù)接口模塊的結(jié)構(gòu)和工作原理設(shè)計(jì)了通用的故障樹，給出了通用故障樹中各分支事件故障的具體分析方法，為FC接口模塊各類故障的分析定位提供了理論指導(dǎo)，提升了產(chǎn)品的維修性和故障定位效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 俞大磊，何立軍，解文濤.FC統(tǒng)一光纖網(wǎng)絡(luò)在綜合化航電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2016，45（5）：77-79.

[2] 張青峰，葛晨，秦正運(yùn).航空數(shù)據(jù)總線技術(shù)分析與發(fā)展[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（12）：150-151.

[3] 郭強(qiáng)，王秋芳，劉樹林，等.系統(tǒng)可靠性理論：模型、統(tǒng)計(jì)方法及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.

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