楊 航,李洪烈,趙冬梅,王 倩,王茹意

(海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū),山東青島266041)

某型DFTI總線記錄器故障分析及改進(jìn)*

楊 航**,李洪烈,趙冬梅,王 倩,王茹意

(海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū),山東青島266041)

針對(duì)某型數(shù)字飛控總線接口(DFTI)記錄器發(fā)生的斷記故障,通過(guò)分析定位故障原因,優(yōu)化了DFTI總線記錄器設(shè)計(jì),改進(jìn)同步判斷方式,對(duì)DFTI解碼模塊同步頭的判斷方式由原來(lái)的雙任務(wù)獨(dú)立判斷改為單任務(wù)互斥判斷;增加對(duì)于幀長(zhǎng)度出錯(cuò)、幀頭識(shí)別失敗和總線數(shù)據(jù)通信容錯(cuò)機(jī)制,在寫(xiě)入的空閑期確保寫(xiě)使能關(guān)閉,保證寫(xiě)使能處于受控狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)方法的有效性和可靠性。

航空設(shè)備;飛行參數(shù)記錄系統(tǒng);數(shù)字飛控總線;記錄器設(shè)計(jì);故障定位;數(shù)據(jù)通信

1 引 言

數(shù)字飛控總線接口(Digital Flight Interface,DFTI)常用作飛行控制系統(tǒng)或飛行管理系統(tǒng)外部總線,其信號(hào)電氣性能符合RS422接口規(guī)范,鏈路層協(xié)議符合1553B總線協(xié)議規(guī)范[1-2],編碼方式為雙向差分Manchester II編碼,傳輸速率為1Mb/s,同步域也采用1553的命令字格式[3-4]。

本文根據(jù)DFTI協(xié)議規(guī)范,按照DFTI理論模型基于FPGA設(shè)計(jì)了某型DFTI總線記錄器,針對(duì)應(yīng)用中發(fā)生的斷記故障進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)DFTI總線上出現(xiàn)異常擾動(dòng)時(shí),DFTI解碼模塊會(huì)對(duì)總線上的信號(hào)產(chǎn)生誤解碼,導(dǎo)致DFTI接收控制流程發(fā)生紊亂,大量非法重復(fù)數(shù)據(jù)誤寫(xiě)入后端HDLC總線FIFO緩存模塊,溢出保護(hù)后引發(fā)斷記故障。針對(duì)同步頭判斷錯(cuò)誤的問(wèn)題,對(duì)DFTI解碼模塊同步頭的判斷方式由原來(lái)的雙任務(wù)獨(dú)立判斷,改為單任務(wù)互斥判斷;接收控制模塊接收到一個(gè)數(shù)據(jù)字后,字的高低字節(jié)寫(xiě)入加入保護(hù)機(jī)制,防止一個(gè)字的高低字節(jié)寫(xiě)入被打斷,從而保證可靠寫(xiě)入;在寫(xiě)入的空閑期確保寫(xiě)使能關(guān)閉,增加對(duì)于幀長(zhǎng)度出錯(cuò)、幀頭識(shí)別失敗和總線數(shù)據(jù)通信容錯(cuò)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了DFTI總線記錄器故障歸零。

2 問(wèn)題分析

2.1 DFTI總線模型

基于FPGA的DFTI總線設(shè)計(jì)模型如圖1所示。圖中DFTI解碼模塊將收到的ManchesterII碼解碼,得出16位并行數(shù)據(jù),并給出各種校驗(yàn)結(jié)果。DFTI接收控制模塊采用狀態(tài)機(jī)方式完成解碼后數(shù)據(jù)的處理,包括幀協(xié)議控制、緩存寫(xiě)入控制、幀長(zhǎng)度控制等功能。DFTI通道緩存模塊采用FPGA自帶的FIFO宏模塊,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存、協(xié)調(diào)異步讀寫(xiě)的功能。

圖1 基于FPGA的DFTI總線理論設(shè)計(jì)模型Fig.1 DFTI theoretical design model based on FPGA

2.2 現(xiàn)象分析

DFTI總線記錄器斷記時(shí),出現(xiàn)大量相同字節(jié)數(shù)據(jù),由DFTI總線工作原理分析[1-2],出現(xiàn)此故障現(xiàn)象的主要可能是DFTI接收控制模塊在寫(xiě)使能信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間打開(kāi)而未被正常關(guān)閉時(shí),將內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器中的高8位數(shù)據(jù)按照64 MHz(全局時(shí)鐘)的頻率持續(xù)寫(xiě)入DFTI數(shù)據(jù)緩存模塊中的FIFO宏模塊。

DFTI接收控制模塊的工作原理如圖2所示。圖中當(dāng)?shù)却龜?shù)據(jù)字標(biāo)志有效時(shí),如果數(shù)據(jù)字寫(xiě)使能rx_dw同時(shí)有效,首先打開(kāi)DFTI數(shù)據(jù)緩存模塊的寫(xiě)使能,把數(shù)據(jù)寄存器中的高8位寫(xiě)到FIFO宏模塊中;此時(shí)如果指令字寫(xiě)使能rx_csw有效,則DFTI接收控制模塊狀態(tài)機(jī)將跳轉(zhuǎn)到等待指令字狀態(tài),由于數(shù)據(jù)字寫(xiě)使能理論上仍保持有效狀態(tài),DFTI接收控制模塊按照64 MHz的全局時(shí)鐘頻率將數(shù)據(jù)寄存器的高8位持續(xù)寫(xiě)入FIFO宏模塊,這樣就可能出現(xiàn)大量重復(fù)數(shù)據(jù)從后端FIFO宏模塊中讀出,并通過(guò)HDLC總線向外部發(fā)送,由于溢出保護(hù)的設(shè)置,大量數(shù)據(jù)寫(xiě)入HDLC接口緩存造成溢出保護(hù),發(fā)生停記故障。FIFO宏模塊讀寫(xiě)時(shí)序圖如圖3所示。

圖2 DFTI接收控制模塊工作流程Fig.2 The task flow of DFTI receive control modular

圖3 FIFO宏模塊讀寫(xiě)時(shí)序圖Fig.3 Read and write timing of FIFO macro module

由以上分析可見(jiàn),如果DFTI接收控制模塊在等待接收外部總線數(shù)據(jù)字時(shí)收到指令字和數(shù)據(jù)字同時(shí)有效,就可能引發(fā)DFTI總線記錄器停止記錄的現(xiàn)象。

2.3 問(wèn)題定位

指令字和數(shù)據(jù)字的判斷程序在DFTI解碼模塊中完成,工作流程如圖4所示。由圖4可見(jiàn),DFTI解碼模塊中對(duì)同步頭的判斷使用了兩個(gè)并行的任務(wù),因此可能出現(xiàn)一個(gè)字被同時(shí)判斷成指令字和數(shù)據(jù)字的任務(wù)沖突。以數(shù)據(jù)字為例,字頭的判斷如圖5所示。

圖4 DFTI解碼模塊工作流程Fig.4 The task flow of DFTI decoding modular

圖5 同步頭識(shí)別過(guò)程Fig.5 Data synchronous head identification process

同步頭檢測(cè)使用8 MHz時(shí)鐘對(duì)DFTI總線信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣,每個(gè)數(shù)據(jù)位采樣8次,采樣到的數(shù)值存入移位寄存器尾部。理想狀態(tài)下,一個(gè)有效的同步頭應(yīng)該有24位寬。當(dāng)移位寄存器的0～23位為0xFFF000則識(shí)別出指令/狀態(tài)字,如果移位寄存器的0～23位為0x000FFF則識(shí)別出數(shù)據(jù)字。

設(shè)計(jì)中總線物理層采用MAX3490芯片對(duì)輸入的差分信號(hào)進(jìn)行整形,輸出TTL電平給DFTI解碼模塊。由MAX3490數(shù)據(jù)手冊(cè)可知,對(duì)于差分大于2 V的信號(hào),MAX3490輸出TTL高電平;對(duì)于差分小于0.8 V信號(hào),輸出TTL低電平。但由于系統(tǒng)外部電磁環(huán)境的影響,DFTI總線數(shù)據(jù)字在傳輸過(guò)程中可能發(fā)生信號(hào)畸變,同時(shí)傳輸過(guò)程中的阻抗無(wú)法完全匹配,使信號(hào)的下降沿變陡,上升沿變緩,經(jīng)過(guò)整形后使原信號(hào)的高低電平部分發(fā)生變化,影響DFTI解碼模塊對(duì)同步頭的識(shí)別。圖6給出了一個(gè)正常數(shù)據(jù)字被解碼模塊同時(shí)識(shí)別成指令字和數(shù)據(jù)字的故障模式。

圖6 畸變后的數(shù)據(jù)字頭識(shí)別Fig.6 The identification process of the distortion data word synchronous head

考慮到信號(hào)在傳輸過(guò)程中高低電平轉(zhuǎn)換時(shí)建立時(shí)間的影響,DFTI解碼中對(duì)同步頭的判斷規(guī)則為1.5位對(duì)應(yīng)的12個(gè)采樣點(diǎn)中有10個(gè)有效,則認(rèn)為有效。因此,對(duì)同步頭的判斷在最差情況下,第一個(gè)采樣點(diǎn)和最后一個(gè)采樣點(diǎn)剛好在波形的邊緣處,折算出時(shí)間為1.125 μs。

如圖7所示,在DFTI總線上的發(fā)送設(shè)備斷電瞬間,由于電源電壓下降,轉(zhuǎn)換輸出電平發(fā)生波動(dòng),如果在一個(gè)數(shù)據(jù)字發(fā)送的過(guò)程中斷電,可能產(chǎn)生周期不定的振蕩,可能導(dǎo)致DFTI解碼模塊在已經(jīng)識(shí)別出一個(gè)數(shù)據(jù)字的條件下又識(shí)別出指令字,引起后端DFTI接收控制模塊狀態(tài)紊亂,出現(xiàn)斷記故障。

圖7 掉電時(shí)總線上的信號(hào)Fig.7 The bus signal waveform when power down

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 DFTI解碼模塊優(yōu)化

針對(duì)同步頭判斷錯(cuò)誤的問(wèn)題,對(duì)DFTI解碼模塊同步頭的判斷方式由原來(lái)的雙任務(wù)獨(dú)立判斷改為單任務(wù)互斥判斷:即當(dāng)判斷出一個(gè)字頭時(shí),判斷任務(wù)掛起等待當(dāng)前字解碼完成,之后再判斷下一個(gè)字,以免同一個(gè)數(shù)據(jù)字被識(shí)別成數(shù)據(jù)字同時(shí)被識(shí)別成指令字。采樣時(shí)鐘由原來(lái)的8 MHz改為10 MHz,同步頭的判斷采用不小于1.3位的門(mén)限值,增加識(shí)別的可靠性。

3.2 DFTI接收控制模塊優(yōu)化

同時(shí)需對(duì)DFTI接收控制模塊優(yōu)化。接收控制模塊接收到一個(gè)數(shù)據(jù)字后,字的高低字節(jié)寫(xiě)入應(yīng)加入保護(hù)機(jī)制,防止一個(gè)字的高低字節(jié)寫(xiě)入被打斷,從而保證可靠寫(xiě)入。保證寫(xiě)使能處于受控狀態(tài),在寫(xiě)入的空閑期確保寫(xiě)使能關(guān)閉。增加對(duì)于幀長(zhǎng)度出錯(cuò)、幀頭識(shí)別失敗和總線數(shù)據(jù)通信容錯(cuò)機(jī)制,主要措施包括:利用DFTI總線的空閑判斷一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束;一幀同步頭識(shí)別失敗后等待下一幀數(shù)據(jù);幀長(zhǎng)度出錯(cuò)后,接收控制模塊給出幀長(zhǎng)度錯(cuò)的標(biāo)識(shí)并準(zhǔn)備好新的一幀接收;總線數(shù)據(jù)常有的情況下,給出幀長(zhǎng)度錯(cuò)標(biāo)識(shí),并停止向緩存模塊寫(xiě)入數(shù)據(jù),等待異常結(jié)束,防止緩存模塊溢出。圖8和圖9分別為利用DFTI總線空閑狀態(tài)判斷幀結(jié)束模塊及確保等待狀態(tài)關(guān)閉緩存寫(xiě)使能的相應(yīng)代碼。

圖8 用DFTI總線空閑狀態(tài)判斷幀結(jié)束模塊Fig.8 The modular of frame termination estimate by bus idle state

圖9 確保等待狀態(tài)關(guān)閉緩存寫(xiě)使能Fig.9 Close the writing enable signal of the FIFO buffer when waiting behind

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室條件下,由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生DFTI激勵(lì)信號(hào),復(fù)現(xiàn)出故障時(shí)的輸入波形,如圖10所示。對(duì)優(yōu)化前后的DFTI總線記錄器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),驗(yàn)證問(wèn)題分析的正確性及優(yōu)化改進(jìn)的有效性。

圖10 DFTI激勵(lì)波形Fig.10 The drive waveform for DFTI recorder

以圖10的波形為激勵(lì)信號(hào)注入DFTI總線記錄器。從下載后的數(shù)據(jù)看,上電后DFTI總線記錄器建鏈成功,大約30 s內(nèi)沒(méi)有打開(kāi)時(shí)標(biāo)通道,數(shù)據(jù)中只有自檢通道數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)文件頭正常,第一次出現(xiàn)時(shí)標(biāo)通道數(shù)據(jù)時(shí),時(shí)標(biāo)值為0x000b064c(28.9 s),文件位置0x520;第一次出現(xiàn)DFTI總線通道數(shù)據(jù),時(shí)標(biāo)值為0x168bd2(59.1 s),文件位置0x1c860。之后發(fā)現(xiàn)大量0x10的錯(cuò)誤數(shù)據(jù),間隔出現(xiàn)時(shí)標(biāo)通道的數(shù)據(jù)。最后一次出現(xiàn)的時(shí)標(biāo)通道數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)為0x169f0c (59.3 s),文件位置0x41aa0?？梢缘贸鰪腄FTI通道出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)到故障停止記錄歷時(shí)約0.2 s,接下來(lái)近60 s內(nèi)的DFTI總線數(shù)據(jù)無(wú)記錄,這就驗(yàn)證了DFTI總線通道接收到模擬畸變后的波形信號(hào)會(huì)產(chǎn)生不定長(zhǎng)的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)并發(fā)生斷記故障。

對(duì)FPGA代碼改進(jìn)后,再次將圖10的波形作為激勵(lì)信號(hào)注入DFTI總線采集記錄器,從下載后的數(shù)據(jù)看,上電后DFTI總線記錄器建鏈成功,大約30 s內(nèi),沒(méi)有打開(kāi)時(shí)標(biāo)通道,數(shù)據(jù)中只有自檢通道數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)文件頭正常,第一次出現(xiàn)時(shí)標(biāo)通道數(shù)據(jù)時(shí),時(shí)標(biāo)值為0x000b6c2e(29.9 s),文件位置0x540。在文件位置0x1e6f0處,第一次出現(xiàn)DFTI總線數(shù)據(jù),時(shí)標(biāo)值為0x16c2f7(59.7 s)。記錄中沒(méi)有出現(xiàn)大量重復(fù)數(shù)據(jù)。記錄最后隨機(jī)停止在DFTI總線數(shù)據(jù)幀上,文件位置0x67d030,時(shí)標(biāo)值為0x37f46e(146.7 s),與測(cè)試時(shí)間相符,沒(méi)有發(fā)生斷記故障。對(duì)比驗(yàn)證表明, DFTI總線設(shè)計(jì)調(diào)整后,DFTI通道接收到畸變后的波形信號(hào)后不會(huì)產(chǎn)生不定長(zhǎng)的錯(cuò)誤數(shù)據(jù),故障問(wèn)題解決。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于DFTI總線協(xié)議為一種非標(biāo)協(xié)議,物理層采用了RS422接口規(guī)范,當(dāng)按照1553B總線協(xié)議規(guī)范設(shè)計(jì)鏈路層時(shí)與物理層匹配并不完美,在實(shí)際應(yīng)用中,干擾條件下容易發(fā)生采集點(diǎn)紊亂的問(wèn)題。本文改進(jìn)方法經(jīng)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證及飛行驗(yàn)證表明可以有效提高DFTI總線采集可靠性,對(duì)于類(lèi)似非標(biāo)總線采集具有一定參考價(jià)值。

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YANG Hang was born in Qinyang,Henan Province,in 1978.He received the Ph.D.degree from Air Force Engineering University in 2008.He is now an engineer.His research concerns aviation communication security and anti-jamming technology,flight data recording system.

Email:13576150@qq.com

李洪烈(1963—),男,山東無(wú)棣人,2003年于空軍工程大學(xué)獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為教授,主要研究方向?yàn)楹娇胀ㄐ排c導(dǎo)航技術(shù)、航空檢測(cè)技術(shù);

LI Honglie was born in Wudi,Shandong Province,in 1963. He received the M.S.degree from Air Force Engineering University in 2003.He is now a professor.His research concerns aeronautical communication and navigation technology,aviation detection technology.

趙冬梅(1981—),女,山東東平人,2007年于中國(guó)海洋大學(xué)獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為講師,主要研究方向?yàn)楹娇胀ㄐ排c導(dǎo)航技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù);

ZHAO Dongmei was born in Dongping,Shandong Province, in 1981.She received the M.S.degree from Ocean University of China in 2007.She is now a lecturer.Her research concerns aeronautical communication and navigation technology,satellite navigation technology.

王 倩(1982—),女,山東惠民人,2010年于海軍航空工程學(xué)院獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為講師,主要研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理和通信仿真技術(shù);

WANG Qian was born in Huimin,Shandong Province,in 1982.She received the M.S.degree from Naval Aeronautical Engineering Institute in 2010.She is now a lecturer.Her research concerns digital signal processing and communication simulation technology.

王茹意(1986—),女,山東棲霞人,2011年于海軍工程大學(xué)獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為講師,主要研究方向?yàn)閿?shù)字通信技術(shù)和航空導(dǎo)航技術(shù)。

WANG Ruyi was born in Qixia,Shandong Province,in 1986.She received the M.S.degree from Naval Engineering U-niversity in 2011.She is now a lecturer.Her research concerns digital communication and navigation technology.

Fault Analysis and Improvement of a DFTI Recorder

YANG Hang,LI Honglie,ZHAO Dongmei,WANG Qian,WANG Ruyi
(Qingdao Branch,Naval Aeronautical Engineering Institute,Qingdao 266041,China)

According to the analysis of halting execution of a digital flight interface(DFTI)recorder,this paper optimizes the design of DFTI recorder,improves the confidence judgement of bit synchronization,and updates the confidence judgement mechanism from independent mode to mutual exclusion mode.It also adds the fault tolerance mechanism to frame length error and frame flag identification to ensure data writing in control,which means turning off the writing enable signal in the writing free time.Experimental result proves the availability and the reliability of the updating method.

aviation equipment;flight data recording system;DFTI bus;recorder design;fault location;data communication

date:2015-03-17;Revised date:2015-06-11

**通訊作者:13576150@qq.com Corresponding author:13576150@qq.com

TN911.4;V241.07

A

1001-893X(2015)12-1417-05

楊 航(1978—),男,河南沁陽(yáng)人,2008年于空軍工程大學(xué)獲博士學(xué)位,現(xiàn)為工程師,主要研究方向?yàn)楹娇胀ㄐ疟Ｃ芘c抗干擾技術(shù)、飛行參數(shù)記錄系統(tǒng);

10.3969/j.issn.1001-893x.2015.12.019

楊航,李洪烈,趙冬梅,等.某型DFTI總線記錄器故障分析及改進(jìn)[J].電訊技術(shù),2015,55(12):1417-1421.[YANG Hang,LI Honglie, ZHAO Dongmei,et al.Fault Analysis and Improvement of a DFTI Recorder[J].Telecommunication Engineering,2015,55(12):1417-1421.]

2015-03-17;

2015-06-11