機載CPU 板硬件故障診斷平臺的設(shè)計研究

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，大量的機載設(shè)備得到了應(yīng)用，所以需要加強設(shè)備的控制管理，保證設(shè)備正常運行。而在機載設(shè)備控制方面，CPU 板將發(fā)揮重要作用。但就目前來看，機載CPU 板容易出現(xiàn)硬件故障，從而給設(shè)備運行帶來安全威脅。因此，還應(yīng)加強機載CPU 板硬件故障診斷平臺的研發(fā)，實現(xiàn)平臺的合理設(shè)計，促使機載設(shè)備可靠性得到提高。

1 機載CPU 板硬件故障診斷平臺設(shè)計原理

機載CPU 板為機載電子設(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，難以對機載CPU 板故障點信號進行測量，同時也將給電路分布參數(shù)帶來影響，因此無法進行高頻硬件電路故障的實時處理[1]。為提高CPU 板軟硬件可靠性，實際在機載CPU 板設(shè)計時采用了多種容錯技術(shù)，以應(yīng)對惡劣的機載工作環(huán)境。結(jié)合這一特點在CPU 板硬件故障診斷時，可以加強故障注入技術(shù)的應(yīng)用，通過對CPU 板硬件原型施加故障確定CPU 板運行狀態(tài)，確定CPU 板能否達到容錯設(shè)計要求。將得到的數(shù)據(jù)與無故障時的數(shù)據(jù)相比較，可以有效進行故障分析和預(yù)測，因此也能使CPU 板硬件故障得到有效診斷。實際設(shè)計CPU 板硬件故障診斷平臺，需要在測試主機中進行測試程序下載，然后進行觸發(fā)模式的設(shè)定。利用平臺進行故障診斷，可以在得到觸發(fā)后實現(xiàn)故障注入，然后完成程序運行軌跡的記錄和分析，實現(xiàn)CPU 板故障點追蹤。采取該種措施，能夠加強CPU 板各路信號特征的把握，通過遍歷CPU 板完成所有硬件器件檢測，達到硬件故障診斷目標。

2 機載CPU 板硬件故障診斷平臺設(shè)計方法

2.1 平臺總體設(shè)計

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

2.2 平臺硬件設(shè)計

在平臺硬件設(shè)計上，可以在CPU 板外圍增設(shè)排接插件，與CPU 板管腳對應(yīng)，用于連接測試探筆。探筆與測試接口電路連接采用扁平電纜，能夠借助插件針孔與被測CPU 板連接，進行完整CPU 板信號的提供，并對模擬故障注入信號進行提供。臺面接口電路與被測CPU 板利用插件針的插槽連接，能夠提供時鐘信號，完成信號電平轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)負載電路的驅(qū)動。在CPU 板正常運行的狀態(tài)下，診斷平臺不會干涉CPU 板運行。需要對CPU板進行故障診斷時，微型計算機才會按照設(shè)定觸發(fā)模式進行故障注入。設(shè)計的測試接口電路，包含總線仿真電路、轉(zhuǎn)換電路、測試信號采集電路、地址譯碼復(fù)現(xiàn)電路等多個部分，能夠?qū)崿F(xiàn)CPU板總線到測試總線的轉(zhuǎn)換，使總線得到緩沖和隔離。在微型計算機下達測試命令后，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完成譯碼分析，加強CPU 板程序運行監(jiān)控，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)和測試結(jié)果交互。通過總線仿真，CPU 板能夠完成數(shù)據(jù)存儲模塊測試，也能實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。實際采用平臺進行硬件故障診斷，僅獲得CPU 板的輸入輸出端口信號無法實現(xiàn)故障定位。利用探筆進行電路中間信號的提取，可以實現(xiàn)故障精確定位，因此能夠滿足故障診斷需求。

2.3 平臺軟件設(shè)計

在CPU 板硬件故障檢測時，需要配合硬件進行測試，利用數(shù)據(jù)和地址總線完成測試系統(tǒng)和被測系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換，直接完成外部接口地址選定，使測試系統(tǒng)成為CPU 板外部設(shè)備。機載CPU板通常采用486芯片，采用精簡指令集和突發(fā)總線傳送方式，能夠與內(nèi)存實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)交換，在一個時鐘周期內(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。通過對外部設(shè)備進行訪問，能夠?qū)⑾到y(tǒng)控制命令和信號輸入到總線上，利用測試程序展開分析。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。如果能夠正常測試，還要進一步進行擴展測試，按照硬件電路逐塊完成功能測試，確定CPU 板硬件能否正常工作。結(jié)合這一流程進行軟件設(shè)計，需要利用C 語言完成輸入輸出模塊的編寫，然后在VC++環(huán)境下進行主控程序編寫。采用輸入輸出模塊，能夠進行各種功能函數(shù)的提供，實現(xiàn)平臺初始化操作，提供基本輸入輸出函數(shù)。在主控程序編寫上，需要完成人機界面設(shè)計，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行故障點檢測，平臺主控程序需要提供電路板圖形化提示，使被測點位置保持高亮狀態(tài)。利用平臺，能夠?qū)Χ鄠€故障點進行定義，在注入故障后運行至故障點地址需要完成邏輯追蹤，確認CPU 板是否存在硬件故障[2]。從平臺運行效果來看，采用該方法能夠?qū)PU 板的寄存器、存儲器、譯碼電路和I/O 接口等部件故障進行檢測，因此能夠滿足故障診斷要求。

3 結(jié)束語

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