方峰 張睿 楊麗君 周波 王向暉 郝維寧

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

航天器1553B總線控制器RAM故障自主診斷與處理方法

方峰 張睿 楊麗君 周波 王向暉 郝維寧

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

在航天器中，1553B總線控制器(BC)作為總線信息交互的管理中樞，其可靠性直接關(guān)系航天器的系統(tǒng)安全。近年來(lái)，受單粒子事件的影響，多個(gè)航天器在軌發(fā)生總線芯片RAM損壞的故障。文章針對(duì)此問(wèn)題，結(jié)合總線芯片BC模式的典型應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，提出RAM故障診斷的策略和自主分區(qū)故障處理的方法。該方法能夠使BC端軟件通過(guò)診斷自主發(fā)現(xiàn)故障，定位故障區(qū)域，并通過(guò)替換、隔離等手段排除故障，消除故障對(duì)航天器的影響。通過(guò)軟件仿真，對(duì)故障診斷和處理的性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：采用該方法的軟件能夠自主發(fā)現(xiàn)故障區(qū)域并完成隔離和替換，且其處理的準(zhǔn)確性和時(shí)效性都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)依賴地面遙控的方法。

航天器1553B總線；總線控制器；RAM故障；自主診斷與處理

1 引言

MIL-STD-1553B總線(以下簡(jiǎn)稱1553B總線)是美國(guó)定義的軍用標(biāo)準(zhǔn)串行通信總線，是一種中央集權(quán)式的時(shí)分復(fù)用型串行總線，由于其具有可靠性高、實(shí)時(shí)性好、擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，在航天器上已經(jīng)得到了非常廣泛的使用[1]。一般，航天器的總線由1個(gè)總線控制器(BC)、多個(gè)遠(yuǎn)置終端(RT)及雙總線電纜組成[2-3]。目前，航天器上大多數(shù)綜合電子系統(tǒng)、數(shù)管分系統(tǒng)等，都采用1553B總線進(jìn)行遙測(cè)數(shù)據(jù)采集及遙控指令分發(fā)。BC端設(shè)備，如中央控制單元(CTU)等，多使用CPU和總線芯片(BU-61580等)[4-6]組合完成總線BC端控制。

航天器在軌運(yùn)行所處的空間環(huán)境較為惡劣，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外航天器發(fā)生了多起由空間環(huán)境引起的故障，其中包括多起總線芯片受空間環(huán)境影響造成RAM區(qū)損壞的故障。當(dāng)總線芯片RAM區(qū)部分損壞時(shí)，總線通信過(guò)程依然可以完成，但BC接收或發(fā)送的數(shù)據(jù)均不正常，嚴(yán)重時(shí)容易引起航天器功能異常，甚至影響航天器正常飛行。航天器在軌發(fā)生此類故障后，一般情況下，都會(huì)先啟用冗余備份設(shè)備替代故障設(shè)備[7]，再對(duì)設(shè)備的故障區(qū)域進(jìn)行定位，通過(guò)由地面發(fā)送遙控指令的方法重構(gòu)軟件的部分模塊[8]，以完成對(duì)芯片故障區(qū)域的隔離。但是，這種處理方法無(wú)論是診斷的時(shí)效性還是處理的準(zhǔn)確性，都難以達(dá)到令人滿意的效果。

本文以BU-61580總線芯片BC模式為典型(其他總線芯片的工作方式及內(nèi)存組織形式幾乎都與其相同)，提出一種通用的RAM故障自主診斷與處理方法，能夠使BC端軟件通過(guò)診斷自主發(fā)現(xiàn)故障，定位故障區(qū)域，并通過(guò)替換、隔離等手段排除故障，消除故障對(duì)航天器的影響。

2 BC端總線芯片介紹

BU-61580總線芯片(以下簡(jiǎn)稱芯片)是一款由美國(guó)DDC公司(Data Device Corporation)生產(chǎn)的符合1553B總線協(xié)議的接口芯片。該芯片集成了雙收發(fā)器、協(xié)議邏輯、內(nèi)存及中斷管理、處理器接口控制，另外還能提供4 Kbit大小的內(nèi)部共享RAM。當(dāng)芯片工作在BC模式時(shí)，其RAM內(nèi)存組織采用以下組織形式(表1中第1、2列)。為了便于分類處理，把BC的RAM區(qū)劃分成3大部分，A區(qū)、B區(qū)和消息塊區(qū)，每個(gè)部分里又包含一些子部分，具體劃分如表1第3、4列所示。

操作芯片進(jìn)行總線通信、發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，都要設(shè)置以下RAM區(qū)。①A或B棧區(qū)(寫入待發(fā)送消息塊的片內(nèi)地址)。②A或B棧區(qū)指針(發(fā)送的起始位置)。③A或B區(qū)待發(fā)消息計(jì)數(shù)(本次發(fā)送的消息個(gè)數(shù))。④消息塊(待發(fā)送的數(shù)據(jù)、命令字、控制字，如果本消息用于接收數(shù)據(jù)，則無(wú)需寫入數(shù)據(jù))。設(shè)置完畢后，啟動(dòng)發(fā)送，芯片按照設(shè)置開(kāi)始工作。舉例說(shuō)明一次典型的BC發(fā)起通信設(shè)置如圖1所示。本例中，待發(fā)送的消息個(gè)數(shù)為32，因此要設(shè)置32個(gè)棧區(qū)描述符和32個(gè)消息塊，將棧區(qū)指針指向所設(shè)置的第1個(gè)描述符的片內(nèi)地址，啟動(dòng)發(fā)送后，芯片開(kāi)始逐個(gè)按照描述符和消息塊的設(shè)置發(fā)送消息。

總結(jié)BC端芯片RAM區(qū)使用的特點(diǎn)如下：①32個(gè)棧區(qū)描述符的片內(nèi)地址是連續(xù)的，中間不能出現(xiàn)間斷的情況；②32個(gè)消息塊可以是不連續(xù)的(跳躍或交叉，但不能重復(fù))；③要設(shè)置棧區(qū)指針和待發(fā)送消息個(gè)數(shù)。

圖1 BC發(fā)起通信設(shè)置實(shí)例Fig.1 An instance of setup when BC starts transmission

3 RAM故障自主診斷與處理方法

3.1總體思路

RAM故障自主診斷與處理方法通過(guò)軟件對(duì)芯片所有片內(nèi)地址進(jìn)行遍歷診斷，對(duì)發(fā)現(xiàn)故障的片內(nèi)地址所在的區(qū)域(具體參見(jiàn)表1)進(jìn)行記錄，根據(jù)不同的區(qū)域選用不同的故障處理策略進(jìn)行處理，最后保證軟件收發(fā)數(shù)據(jù)的正確性。自主診斷與處理方法流程如圖2所示。其中，故障自主診斷和故障處理策略是要重點(diǎn)描述的內(nèi)容。

圖2 自主診斷與處理方法流程Fig.2 Flow of autonomous diagnosis and recovery method

3.2故障診斷模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于棧區(qū)而言，其特點(diǎn)是必須連續(xù)使用。A、B棧區(qū)1次通信最多可以支持64個(gè)消息塊，也就是4 Kbyte字長(zhǎng)度的通信過(guò)程。目前，在航天器上使用的1553B通信協(xié)議基本通信長(zhǎng)度都不超過(guò)2 Kbyte字(最大的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量一般發(fā)生在數(shù)管分系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)保存與恢復(fù)過(guò)程中)，因此，模塊把A、B棧區(qū)分別劃分為上半部分和下半部分。這樣的劃分能提高系統(tǒng)的冗余備份，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。故障診斷模塊輸入為片內(nèi)地址，輸出為該片內(nèi)地址對(duì)應(yīng)子部分的健康狀態(tài)。軟件應(yīng)當(dāng)力爭(zhēng)可以周期性檢測(cè)并給出所有子部分是否正常的標(biāo)識(shí)。

診斷故障時(shí)，每次檢測(cè)1個(gè)片內(nèi)地址，每個(gè)片內(nèi)地址分別寫入0x5555和0xAAAA，并讀取、判斷是否與寫入一致。一致，則該片內(nèi)地址正常；不一致，則表示該片內(nèi)地址可能有故障；連續(xù)3次檢測(cè)錯(cuò)誤，則認(rèn)為該片內(nèi)地址故障，并將該片內(nèi)地址對(duì)應(yīng)的子部分健康標(biāo)識(shí)設(shè)置為不健康。故障診斷流程如圖3所示。經(jīng)過(guò)診斷流程后，可以得到各個(gè)分區(qū)的健康狀態(tài)表，輸出如表2所示。

圖3 檢測(cè)故障流程Fig.3 Flow of fault diagnosis

表2 健康狀態(tài)表

3.3故障處理模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于故障處理模塊，其輸入即為故障診斷模塊輸出的子部分健康狀態(tài)表。故障處理模塊將RAM故障按區(qū)劃分為3大類：①A區(qū)故障，包括A棧區(qū)指針，以及A區(qū)待發(fā)消息計(jì)數(shù)、A棧區(qū)；②B區(qū)故障，包括B棧區(qū)指針，以及B區(qū)待發(fā)消息計(jì)數(shù)、B棧區(qū)；③某消息塊故障，包括94個(gè)消息塊。故障處理模塊對(duì)3個(gè)區(qū)域的故障設(shè)計(jì)了不同的處理策略，具體如下。

3.3.1 A或B區(qū)故障處理

由于A或B棧區(qū)指針、A或B區(qū)待發(fā)消息計(jì)數(shù)是芯片內(nèi)部固定發(fā)送邏輯使用的控制變量，因此其故障只能通過(guò)切換備份的策略進(jìn)行隔離。例如，當(dāng)A棧區(qū)指針或A區(qū)待發(fā)消息計(jì)數(shù)故障時(shí)，只能使用B棧區(qū)指針或B區(qū)待發(fā)消息計(jì)數(shù)，此時(shí)通過(guò)設(shè)置芯片配置寄存器1的BIT13位來(lái)切換使用。

對(duì)于棧區(qū)而言，使用時(shí)，要將A棧區(qū)指針(假設(shè)默認(rèn)使用A區(qū)進(jìn)行通信)指向通信使用棧區(qū)的首個(gè)內(nèi)片地址，棧區(qū)中連續(xù)設(shè)置本次通信每條消息的描述符。其替換策略如下：①默認(rèn)使用A棧區(qū)上半部分進(jìn)行通信描述符的寫入；②當(dāng)A棧區(qū)上半部分不健康時(shí)，使用A棧區(qū)下半部分；③當(dāng)A棧區(qū)下半部分也不健康時(shí)，使用B棧區(qū)上半部分；④當(dāng)B棧區(qū)上半部分同樣不健康時(shí)，使用B棧區(qū)下半部分。這樣，棧區(qū)擁有4個(gè)完全獨(dú)立的區(qū)域，可以相互備份使用，大大提高了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)故障的能力。

3.3.2 消息塊故障處理

芯片在BC模式下共提供94個(gè)消息塊進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。針對(duì)94個(gè)消息塊，要設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行管理。根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)用性，這里選擇最常見(jiàn)的雙向隊(duì)列結(jié)構(gòu)，共設(shè)計(jì)2個(gè)隊(duì)列分別對(duì)健康和不健康的消息塊進(jìn)行管理，其隊(duì)列組織形式如圖4所示。

故障處理模塊初始化時(shí)，將所有消息塊設(shè)置為健康，每塊插入健康消息塊管理隊(duì)列，成為隊(duì)列的1個(gè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)有消息塊被檢測(cè)確定為不健康時(shí)(如圖4的消息塊1，2，4，…，35，77)，將該消息塊從健康消息塊管理隊(duì)列中移除，作為1個(gè)節(jié)點(diǎn)插入非健康消息塊管理隊(duì)列中。具體每次通信時(shí)，按照通信字長(zhǎng)，從健康消息塊管理隊(duì)列中獲取相應(yīng)個(gè)數(shù)的消息塊，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入消息塊中(或通信結(jié)束后從這些消息塊中讀取數(shù)據(jù))，并將這些消息塊片內(nèi)地址順序?qū)懭肷衔闹刑岬降臈^(qū)描述符中，然后設(shè)置A或B棧區(qū)指針，以及A或B區(qū)待發(fā)消息計(jì)數(shù)，啟動(dòng)發(fā)送即可完成本次通信過(guò)程。

圖4 消息塊管理結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of message block management

3.4應(yīng)用建議

在實(shí)際應(yīng)用本文提出的RAM故障自主診斷與處理方法時(shí)，現(xiàn)有總線通信軟件模塊要考慮故障診斷的時(shí)機(jī)、頻度及對(duì)整個(gè)通信過(guò)程的影響。由于每次總線通信均由BC端主動(dòng)發(fā)起，因此RAM故障診斷的過(guò)程只要與芯片收發(fā)數(shù)據(jù)的過(guò)程不發(fā)生沖突即可，因此建議故障診斷的時(shí)機(jī)為每次發(fā)起總線通信之前。

故障診斷需要針對(duì)所有片內(nèi)地址開(kāi)展，片內(nèi)地址一共4096個(gè)，每個(gè)故障診斷過(guò)程完成對(duì)1個(gè)片內(nèi)地址的檢測(cè)，連續(xù)3次錯(cuò)誤則確認(rèn)故障。本文建議系統(tǒng)確認(rèn)故障的時(shí)間最長(zhǎng)不超過(guò)10 s，這樣每秒需要對(duì)410個(gè)片內(nèi)地址進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)航天器總線設(shè)備的配置情況及協(xié)議設(shè)計(jì)，RT一般不少于5個(gè)，每秒訪問(wèn)RT的次數(shù)(通信過(guò)程次數(shù))不少于20次。因此，結(jié)合上文建議的診斷時(shí)機(jī)，建議BC端在每次啟動(dòng)總線通信之前完成16～32個(gè)片內(nèi)地址的故障診斷，具體可以根據(jù)航天器的配置及協(xié)議情況進(jìn)行變化。

4 實(shí)例驗(yàn)證

整個(gè)故障診斷的過(guò)程經(jīng)軟件代碼實(shí)現(xiàn)后，對(duì)其運(yùn)行性能進(jìn)行仿真測(cè)試。仿真系統(tǒng)處理器采用BM3803平臺(tái)，主頻設(shè)置為30 MHz。仿真結(jié)果如圖5(a)所示，表明檢測(cè)單個(gè)片內(nèi)地址的時(shí)間不超過(guò)0.05 ms，1次檢測(cè)的片內(nèi)地址越多，平均檢測(cè)單個(gè)片內(nèi)地址的時(shí)間越短，這與關(guān)閉中斷、進(jìn)行全局變量存取等操作少有關(guān)。選擇每次對(duì)16個(gè)片內(nèi)地址進(jìn)行檢測(cè)，仿真結(jié)果表明，檢測(cè)最長(zhǎng)需要0.576 ms，即每次通信過(guò)程時(shí)延增加0.576 ms，該時(shí)延幾乎不會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能帶來(lái)影響。

仿真系統(tǒng)采用某型衛(wèi)星總線通信配置對(duì)故障發(fā)現(xiàn)的時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，其配置為通信37次/秒，每次通信檢測(cè)16個(gè)片內(nèi)地址。仿真中通過(guò)軟件造錯(cuò)的方法對(duì)某個(gè)固定片內(nèi)地址進(jìn)行故障注入，測(cè)試結(jié)果如圖5(b)所示?？梢?jiàn)，故障發(fā)現(xiàn)時(shí)間最長(zhǎng)不超過(guò)7 s，短于本文建議的故障發(fā)現(xiàn)時(shí)間要求。

圖5 仿真結(jié)果Fig.5 Results of simulation

根據(jù)本文方法及仿真結(jié)果，與傳統(tǒng)通過(guò)地面遙控指令修改軟件模塊進(jìn)行故障處理的方法進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。經(jīng)過(guò)比較可知，本文方法對(duì)故障診斷定位精確到每個(gè)片內(nèi)地址，診斷時(shí)效性顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法，診斷后對(duì)故障的處理有效性和時(shí)效性都大幅領(lǐng)先傳統(tǒng)方法。

表3 兩種故障診斷與處理方法比較

5 結(jié)束語(yǔ)

BC端作為航天器1553B總線通信的發(fā)起節(jié)點(diǎn)，擔(dān)任航天器內(nèi)部數(shù)據(jù)管理的核心角色，自身的可靠性對(duì)整個(gè)航天器的安全至關(guān)重要。本文針對(duì)芯片的結(jié)構(gòu)，根據(jù)當(dāng)前航天器BC端軟件設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，提出了一種RAM故障自主診斷與處理方法。該方法通過(guò)對(duì)BC端芯片RAM區(qū)進(jìn)行故障檢測(cè)，并按照使用特點(diǎn)進(jìn)行劃分，對(duì)不同區(qū)域采用不同的處理策略，使BC端軟件具備脫離地面干預(yù)、自主完成RAM故障自主診斷與處理的能力，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

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Autonomous Diagnosis and Recovery Method for RAM Fault of 1553B Bus Controller on Spacecraft

FANG Feng ZHANG Rui YANG Lijun ZHOU Bo WANG Xianghui HAO Weining

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering， Beijing 100094， China)

In a spacecraft,1553B BC (bus controller) is the management center of 1553B bus,and its reliability is directly related to the safety of the whole system. In recent years,due to the influence of the space environment,single event will happen to the RAM of the bus chip when the spacecraft is on-orbit. The affection of the problem according to characteristics of different applications is analyzed in the paper. Based on the analysis,the RAM fault autonomous diagnosis and recovery method is proposed. The BC software based on this method can detect fault， locate fault section and isolate or replace fault automatically,so the spacecraft can be recovered from the fault. The results show that the processing is completely in line with expectations through software implementation for diagnosis and recovery method. Its accuracy and timeliness are obviously better than the traditional method depended on the ground telecommand.

spacecraft 1553B bus； bus controller； RAM fault； autonomous diagnosis and recovery

V443

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.012

2017-05-12；

2017-06-21

國(guó)家重大航天工程

方峰，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樾情g網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及星載軟件設(shè)計(jì)。Email：ff4255@126.com。

(編輯：夏光)