基于DSP的故障記錄與解析的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

金道源 趙熠 鄺安玄

摘要： 在機(jī)電系統(tǒng)中，接口單元模塊承擔(dān)著信號(hào)采集、傳輸、控制等復(fù)雜任務(wù)，導(dǎo)致該模塊內(nèi)部外部接口眾多、軟件規(guī)模大、信號(hào)種類多樣，故設(shè)備運(yùn)行時(shí)故障產(chǎn)生的原因不可預(yù)測(cè)，發(fā)生故障后，對(duì)故障的定位與排查也非常不便。本文以搭載TI公司高性能DSP芯片的接口單元為例，闡述了接口單元模塊管理軟件的統(tǒng)一故障管理方式，包括故障數(shù)據(jù)記錄、故障解析工具設(shè)計(jì)、文件生成。大大方便了設(shè)備以及系統(tǒng)故障的定位與排查，極大降低了設(shè)備排障與后期維護(hù)的成本。

關(guān)鍵詞：故障記錄與解析;NVRAM;DSP

一、系統(tǒng)概述

在復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)中，接口單元模塊承擔(dān)著機(jī)電管理任務(wù)的執(zhí)行，需要為系統(tǒng)提供各類接口，如模擬量輸入輸出、離散量輸入輸出、總線接口等，且需要在系統(tǒng)中的不同位置實(shí)現(xiàn)不同配置，完成系統(tǒng)的狀態(tài)信息采集與上傳，響應(yīng)上位機(jī)輸出控制指令完成對(duì)子系統(tǒng)的控制與維護(hù)，同時(shí)為系統(tǒng)健康管理提供BIT（自測(cè)試）信息支持，針對(duì)以上特點(diǎn)，接口單元核心處理芯片采用TI公司的高性能DSP芯片。

駐留在其上接口單元管理軟件作為整個(gè)接口單元模塊行為的控制核心，為硬件提供資源的配置、檢測(cè)、管理與控制功能，與模塊硬件共同完成接口單元任務(wù)的執(zhí)行，相應(yīng)的，該管理軟件的需求復(fù)雜、軟件規(guī)模大，所以管理軟件分為三層結(jié)構(gòu)，分別為應(yīng)用軟件層、協(xié)議解析層和驅(qū)動(dòng)程序?qū)?，如圖1所示。

接口單元實(shí)施并參與系統(tǒng)的功能控制管理、信息管理和健康管理有關(guān)的信號(hào)采集、信息傳輸、輸出控制和BIT檢測(cè)等任務(wù)，與系統(tǒng)各設(shè)備之間相互交聯(lián)、物理、邏輯接口復(fù)雜、信號(hào)種類繁多，故設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)生故障的時(shí)機(jī)不定、類型不定、數(shù)量不定、位置不定，所以作為接口單元管理軟件的一部分，故障管理功能同軟件三層結(jié)構(gòu)均有交聯(lián)關(guān)系，如圖1所示，為了故障排查與后期維護(hù)的便利，統(tǒng)一的故障記錄與直觀的故障解析十分必要。

二、故障記錄

故障統(tǒng)一管理的目的是故障排查與后期維護(hù)的便利，首先需要針對(duì)模塊運(yùn)行中可能出現(xiàn)的不同類型、不同位置、不同發(fā)生時(shí)機(jī)的故障進(jìn)行格式統(tǒng)一的記錄。

（一）故障類型

故障類型主要分為上電BIT（PuBIT）故障及周期BIT（PBIT）故障，其中上電BIT在模塊上電時(shí)對(duì)自身控制器相關(guān)硬件、供電及部分接口以及周期任務(wù)中不能檢測(cè)的電路進(jìn)行快速檢測(cè)，以確認(rèn)是否可以進(jìn)行最基本的正?？刂乒ぷ?。如果上電檢測(cè)出接口故障，置相應(yīng)故障狀態(tài)，向接口本次上電故障記錄NVRAM地址寫(xiě)入故障值，直到重新上電后再次上電BIT檢測(cè)可被新的檢測(cè)結(jié)果覆蓋。測(cè)試接口包括看門(mén)狗測(cè)試、模擬量輸出接口測(cè)試、離散量采集接口測(cè)試、電源測(cè)試、RS422測(cè)試、RAM測(cè)試、FLASH測(cè)試、NVRAM讀寫(xiě)測(cè)試、FPGA握手測(cè)試等。

周期BIT是設(shè)備正常周期工作中，在對(duì)接口進(jìn)行控制的同時(shí)，以不干擾正常工作的方式，對(duì)設(shè)備各工作接口的工作狀態(tài)進(jìn)行周期性檢測(cè)。如果周期BIT測(cè)試接口的故障值有效，則向接口周期故障記錄NVRAM地址寫(xiě)入故障值。測(cè)試接口包括模擬量采集接口測(cè)試、離散量采集接口測(cè)試、溫度測(cè)試、離散量輸出接口測(cè)試、供電測(cè)試、配置信號(hào)測(cè)試等。

（二）故障數(shù)據(jù)記錄

由于故障的不確定性，需要及時(shí)將故障發(fā)生瞬間的時(shí)間、故障現(xiàn)場(chǎng)等相關(guān)數(shù)據(jù)記錄在不易丟失的存儲(chǔ)單元中，以便事后故障分析。NVRAM（Non-Volatile Ram），非易失性隨機(jī)訪問(wèn)儲(chǔ)存器，斷電后仍能保持?jǐn)?shù)據(jù)，由于故障的多樣性、不確定性、偶然性，用該儲(chǔ)存器作為故障記錄的介質(zhì)最為合適。

將NVRAM作為擴(kuò)展存儲(chǔ)空間外掛至DSP芯片外部?jī)?chǔ)存的外擴(kuò)區(qū)域，用以儲(chǔ)存故障相關(guān)信息，如圖2所示。

為了區(qū)分故障種類，便于后續(xù)故障解析，預(yù)先在NVRAM中定義各類故障區(qū)域，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，故障可快速寫(xiě)入到對(duì)應(yīng)的故障記錄內(nèi)。NVRAM故障記錄包含兩個(gè)部分，第一部分為公共部分信息記錄，主要涉及本次上電后整機(jī)的全局信息，包含上電測(cè)試，各類信號(hào)等，這部分內(nèi)容記錄在NVRAM的最前端;第二部分為各個(gè)故障的記錄，包括上電BIT、周期BIT等故障數(shù)據(jù)信息，依次進(jìn)行記錄。在進(jìn)行故障記錄時(shí)，為降低開(kāi)發(fā)難度、提升軟件復(fù)用性、便于故障解析，將不同類型的故障數(shù)據(jù)以及相關(guān)故障現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)以相同的數(shù)據(jù)格式記錄在NVRAM中，首先列出接口單元運(yùn)行周期中可能出現(xiàn)的所有故障，針對(duì)每種故障整理引起該故障的數(shù)據(jù)或受該故障影響的數(shù)據(jù)作為故障現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。為每個(gè)故障在對(duì)應(yīng)類型故障空間中分配地址，故障數(shù)據(jù)以32字節(jié)為記錄單位記錄，記錄內(nèi)容包括故障發(fā)生時(shí)間，產(chǎn)品上電次數(shù)，故障接口、故障通道號(hào)、故障類型、故障發(fā)生次數(shù)，以及故障現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)，故障數(shù)據(jù)記錄格式整理如表1所示。

故障數(shù)據(jù)記錄的流程如下圖3所示。

模塊上電后，首先在設(shè)備初始化中對(duì)設(shè)備上電總時(shí)間、上電次數(shù)等公共信息進(jìn)行記錄，其次進(jìn)行上電BIT檢測(cè)并對(duì)故障接口進(jìn)行記錄，最后周期任務(wù)中進(jìn)行周期BIT檢測(cè)，并對(duì)故障接口進(jìn)行記錄。

三、故障解析

故障記錄完成之后，需要將NVRAM中記錄的信息進(jìn)行解析輸出，所以將NVRAM中故障數(shù)據(jù)下載至本地，并設(shè)計(jì)分析工具對(duì)下載的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，最后形成故障分析報(bào)告文件。

（一）NVRAM數(shù)據(jù)下載

記錄故障數(shù)據(jù)的NVRAM掛載在DSP芯片外擴(kuò)區(qū)域之上，故使用芯片提供的串行通信接口（SCI）外設(shè)模塊對(duì)NVRAM數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，通過(guò)串口通信傳輸至本地PC，本地應(yīng)用串口助手接收并捕獲NVRAM下載數(shù)據(jù)。

（二） NVRAM數(shù)據(jù)解析

設(shè)計(jì)NVRAM數(shù)據(jù)解析工具，對(duì)下載的NVRAM故障信息在本地進(jìn)行解析并形成故障分析報(bào)告，解析流程如圖4所示。

將下載至本地PC的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入解析工具，找到數(shù)據(jù)起始位置并解析公共信息部分;然后依據(jù)故障類型對(duì)故障進(jìn)行區(qū)分，依據(jù)地址信息對(duì)故障定位，依據(jù)該故障對(duì)故障現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的定義解析相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù);解析完成后選擇是否形成解析文件。

（三）解析工具

解析工具使用Microsoft Visual Studio2010開(kāi)發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單應(yīng)用界面，實(shí)現(xiàn)NVRAM數(shù)據(jù)文件的導(dǎo)入、解析，解析報(bào)告文件的生成。該工具使用MFC開(kāi)發(fā)，集成了接口單元產(chǎn)品型號(hào)的選擇，NVRAM數(shù)據(jù)文件的導(dǎo)入與校驗(yàn)，NVRAM數(shù)據(jù)文件解析，部分重要信息與故障的顯示，NVRAM數(shù)據(jù)解析結(jié)果報(bào)告的生成。

四、試驗(yàn)驗(yàn)證

故障記錄、解析工具設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)人工強(qiáng)制在軟件內(nèi)置故，且使用預(yù)先定義好的故障現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，將記錄數(shù)據(jù)使用工具解析并導(dǎo)出，若導(dǎo)出結(jié)果和與置故現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)一致，則故障記錄與解析功能正確。

（一）測(cè)試環(huán)境

在應(yīng)用軟件中對(duì)某些接口進(jìn)行插樁置故，并設(shè)置故障現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，將測(cè)試軟件固化至接口單元，運(yùn)行穩(wěn)定后下載NVRAM數(shù)據(jù)，導(dǎo)入解析工具中，對(duì)NVRAM數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。在試驗(yàn)中，使用測(cè)試設(shè)備對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行供電與總線數(shù)據(jù)通信，測(cè)試PC與產(chǎn)品用串口線相連。將置故測(cè)試軟件通過(guò)串口固化至目標(biāo)機(jī)，上電穩(wěn)定運(yùn)行，下電后對(duì)目標(biāo)機(jī)模式配置信號(hào)進(jìn)行切換，切換至信息下載模式;PC端打開(kāi)串口助手，目標(biāo)機(jī)重新上電，應(yīng)用串口助手捕獲NVRAM下載數(shù)據(jù)至本地，下載原始數(shù)據(jù)捕獲;最后依據(jù)NVRAM數(shù)據(jù)解析流程，進(jìn)行故障解析以及生成故障分析結(jié)果。

（二）解析結(jié)果

使用工具導(dǎo)入下載NVRAM數(shù)據(jù)文件，點(diǎn)擊解析，數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。

查看故障后，點(diǎn)擊導(dǎo)出將故障信息導(dǎo)出文本，如圖6所示。圖中最上方顯示上電后設(shè)備公共信息及重要故障，后方為其他故障信息，包含故障類型、通道、上電次數(shù)、故障次數(shù)以及故障現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。經(jīng)對(duì)比，工具解析結(jié)果和報(bào)告呈現(xiàn)結(jié)果與測(cè)試軟件設(shè)置的故障完全一致，可以認(rèn)為故障解析與故障記錄功能正確。

五、結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)上文對(duì)不同故障統(tǒng)一的故障記錄以及解析方式，后期維護(hù)時(shí)，開(kāi)發(fā)維護(hù)人員可以很直觀地看到發(fā)生故障的接口，故障發(fā)生時(shí)間，以及發(fā)生故障時(shí)與該接口相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，極大方便了接口單元及系統(tǒng)故障排除以及維護(hù)。

作者單位：金道源? ? 趙熠? ? 鄺安玄? ? 航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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