張旭洲，車炯暉，李 林

(中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 前言

隨著航空電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，例如全程自動駕駛儀、綜合模塊化航電系統(tǒng)、人工模擬自然燈光等這些信息化產(chǎn)品已成為現(xiàn)代飛機的標準配置，可以說解開一架現(xiàn)代飛機的蒙皮，就會發(fā)現(xiàn)下面分布著密密麻麻的電線和各種電子部件[1]。隨之而來的是航空電子產(chǎn)品的復(fù)雜度和綜合化程度的不斷提高，向著體積小、功耗低、重量輕的方向發(fā)展過程中，航空機載設(shè)備中FPGA的應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模逐步擴大[2]，F(xiàn)PGA幾乎成了機載設(shè)備必不可少的核心元器件。隨著包含F(xiàn)PGA的機載設(shè)備的大量使用，發(fā)現(xiàn)了多起在全機加電的過程中，某機載設(shè)備中的FPGA邏輯加載失敗的故障現(xiàn)象。

1) 機載設(shè)備FPGA邏輯加載失敗的表現(xiàn)

FPGA(Field Programmable Gate Array)于1985年由Xilinx創(chuàng)始人之一Ross Freeman發(fā)明[3]，發(fā)展至今，F(xiàn)PGA在機載設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，其地位一般屬于控制電路的核心部件。如果其在啟動過程中，邏輯加載失敗，則該機載設(shè)備將無法正常啟動，往往給機務(wù)人員帶來的感覺是該設(shè)備沒有正常啟動，“設(shè)備不工作”、“輸入信號采集異?！薄拜敵鲂盘柌荒苷Ｊ芸亍钡仁菣C務(wù)人員通常對該類故障的描述，并會重點提到“給設(shè)備下電后，再次上電，故障現(xiàn)象消失，設(shè)備工作正?！薄?/p>

2) 機載設(shè)備FPGA邏輯加載失敗故障的排查

該類故障排查的過程中，往往苦惱于故障僅僅是在很偶然的情況下發(fā)生，并且給設(shè)備下電后，再次上電，故障現(xiàn)象消失，設(shè)備工作正常；更加困難的是，如果將該故障設(shè)備從飛機上拆下了，在實驗室進行測試，故障并不復(fù)現(xiàn)。

經(jīng)過對故障進行分析，以及對飛機現(xiàn)場的工作情況的詳細了解，注意到一個較為相關(guān)的描述，該類故障經(jīng)常發(fā)生在氣溫較低的氣候條件下，并且是在清晨第一次加電的過程中。經(jīng)詳細排查發(fā)現(xiàn)，氣溫較低及清晨第一次加電的情況下，供電電源電壓建立的過程更加“緩慢”，機載直流設(shè)備的供電電源來自機外供電設(shè)備或機上直流電源，其啟動方式可分為兩種：一種是通過機外供電設(shè)備啟動機載直流設(shè)備，待機載直流設(shè)備工作穩(wěn)定后再切換為機上直流電源供電；也可以是直接用機上直流電源啟動機載直流設(shè)備，但無論是哪種啟動方式，在電源啟動的瞬間，其供電電壓建立的過程，直接影響給FPGA供電的二次電源的品質(zhì)，當FPGA在進行邏輯加載的過程中，二次電源不穩(wěn)定，會導(dǎo)致FPAG邏輯加載失敗。

1 FPGA邏輯加載失敗解決方案

1.1 改善二次電源啟動波形

28VDC供電系統(tǒng)多為飛行控制、應(yīng)急通訊以及數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵用電設(shè)備供電[4]，當供電電源啟動后，28VDC開始爬升，機載設(shè)備內(nèi)部的二次電源變換電路也隨之開始工作，輸出二次電源(5VDC)，當28VDC電壓波形上升緩慢或者波動劇烈的情況下，5VDC的波形也會出現(xiàn)較為劇烈的波動，這種波動如果恰巧出現(xiàn)在FPGA邏輯加載的過程中，則會導(dǎo)致其邏輯加載失敗，如圖1所示。

圖1 28VDC電壓波形上升緩慢或波動劇烈的

針對上述情況，改善二次電源啟動波形是一個解決方法：可考慮在二次電源的輸出電路中增加延時輸出的功能，“避開”機上28VDC建立的過程，即在28VDC穩(wěn)定后，再輸出5VDC。

增加了延時功能之后的二次電源啟動波形如圖2所示。

圖2 增加延時功能后5VDC的波形改善情況

1.2 邏輯多次加載機制

由于該類故障中FPGA邏輯加載失敗后，不能進行二次加載，只有通過設(shè)備下電后再次上電實現(xiàn)邏輯的重新加載，因此可以考慮設(shè)計邏輯的多次加載功能，從而解決FPGA邏輯一次加載失敗后設(shè)備無法正常工作的故障。

如圖3所示，在原有流程的基礎(chǔ)上增加了使用CPU模塊對FPGA芯片邏輯是否加載成功的判斷，若FPGA芯片邏輯加載失敗，則由CPU模塊控制其再次進行邏輯加載(該過程可反復(fù)執(zhí)行3次)，直至FPGA芯片成功加載，產(chǎn)品進入正常工作狀態(tài)。通過增加使用CPU模塊監(jiān)控FPGA芯片邏輯加載是否成功，并控制FPGA芯片重新進行加載，可有效解決當前狀態(tài)的產(chǎn)品因外部28V供電擾動導(dǎo)致的FPGA芯片加載失敗，產(chǎn)品啟動工作異常的故障現(xiàn)象，增強產(chǎn)品的抗干擾能力。

圖3 FPGA芯片邏輯多次加載策略

1.3 解決方案效果驗證

圖4中，(a)圖模擬的是設(shè)備在飛機上正常啟動的情況，28VDC及5VDC的波形穩(wěn)定，F(xiàn)PGA邏輯加載成功；(b)圖模擬的是28VDC出現(xiàn)波動，從而導(dǎo)致5VDC出現(xiàn)波動，最終導(dǎo)致FPGA邏輯加載失敗；(c)圖模擬的是“FPGA增加邏輯多次加載功能”后，在28VDC出現(xiàn)同樣的波動情況下，邏輯加載成功的驗證結(jié)果；(d)圖模擬的是“5VDC增加延時功能”后，在28VDC出現(xiàn)劇烈波動情況下，邏輯加載成功的驗證結(jié)果。

圖4 解決方案驗證效果波形實測圖

2 結(jié)束語

本文針對機載設(shè)備在啟動過程中，當供電網(wǎng)絡(luò)中存在電壓不穩(wěn)定的情況下，設(shè)備內(nèi)部FPGA芯片邏輯加載失敗的故障，提出了兩種解決方案，即“二次電源電路中增加延時功能”、“FPGA芯片設(shè)計邏輯多次加載功能”，經(jīng)過驗證，上述兩種方案均能有效解決機載設(shè)備FPGA芯片邏輯加載失敗的問題。