張弘揚(yáng) 朱天輝 魏娜

摘要：針對(duì)某型慣導(dǎo)系統(tǒng)在修理過(guò)程中出現(xiàn)備份機(jī)奪權(quán)故障，進(jìn)行備份機(jī)故障分析研究。通過(guò)對(duì)備份機(jī)奪權(quán)原理的分析以及對(duì)故障芯片進(jìn)行x射線電子線路分析研究，實(shí)現(xiàn)了故障定位與排除，最后總結(jié)了備份機(jī)故障性質(zhì)、原因與相應(yīng)措施.有效降低了備份機(jī)故障率.提高了裝備的使用可靠性。 關(guān)鍵詞：備份計(jì)算機(jī);可編程門電路;三態(tài)門

0引言

平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于我軍主戰(zhàn)機(jī)型，針對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的故障診斷與分析研究也越來(lái)越多。電子線路板是平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分，為慣導(dǎo)提供電源和控制信號(hào)，計(jì)算并輸出導(dǎo)航參數(shù)。備份計(jì)算機(jī)板屬于慣導(dǎo)系統(tǒng)中一塊非常重要的電子線路板，它的主要功能是與GPS接收機(jī)進(jìn)行交聯(lián)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)收星功能，同時(shí)備份計(jì)算機(jī)還有輸入輸出開關(guān)量以及對(duì)相關(guān)的模擬電路輸出施距換擋信號(hào)、溫度控制信號(hào)、馬達(dá)啟動(dòng)信號(hào)等功能。

備份計(jì)算機(jī)在慣導(dǎo)系統(tǒng)中起著相當(dāng)重要的作用，一旦備份計(jì)算機(jī)板發(fā)生故障，將導(dǎo)致整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通信機(jī)制紊亂，并引起模擬電路板的信號(hào)錯(cuò)誤，致使整個(gè)慣導(dǎo)系統(tǒng)不能正常工作。

1故障現(xiàn)象及故障分析定位

1.1故障現(xiàn)象

某型慣導(dǎo)系統(tǒng)在常溫下進(jìn)行靜態(tài)阻值測(cè)試、單機(jī)通電、全機(jī)通電工作均正常，在進(jìn)行綜合環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)一分鐘后報(bào)故，故障代碼為51#AD/DA故障、21#陀螺超溫、22#加計(jì)超溫、15#伺服回路故障。

1.2故障分析

通過(guò)分析該型慣導(dǎo)系統(tǒng)的原理，結(jié)合實(shí)際的故障現(xiàn)象，對(duì)故障進(jìn)行定位。首先，根據(jù)51#AD/DA故障，初步判定為接口電路的模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換功能故障，更換接口電路板后故障仍復(fù)現(xiàn);其次，根據(jù)21#陀螺超溫、22#加計(jì)超溫，懷疑溫控電路故障，更換溫控電路板后故障仍復(fù)現(xiàn);最后，15#伺服回路故障是整個(gè)平臺(tái)的伺服回路故障，由于確定平臺(tái)功能正常，因此斷定15#故障是由51#、21群、22#故障引起的，為偽故障。綜合以上信息，初步斷定是由于備份計(jì)算機(jī)奪取了主計(jì)算機(jī)的總線控制權(quán)，最終導(dǎo)致慣導(dǎo)系統(tǒng)報(bào)故。

1.3故障定位

經(jīng)分析，將備份計(jì)算機(jī)的奪權(quán)高/低信號(hào)、主機(jī)故障高/低信號(hào)端進(jìn)行飛線，并用示波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。在慣導(dǎo)系統(tǒng)正常工作時(shí)，奪權(quán)高信號(hào)為5V高電平，主機(jī)故障高信號(hào)為4.2V高電平，奪權(quán)低信號(hào)和主機(jī)故障低信號(hào)均為0V低電平;在慣導(dǎo)系統(tǒng)報(bào)故后，奪權(quán)高信號(hào)和主機(jī)故障高信號(hào)均為0V低電平，奪權(quán)低信號(hào)為5V高電平，主機(jī)故障低信號(hào)為4.2V高電平。通過(guò)分析，確定備份計(jì)算機(jī)奪取了主計(jì)算機(jī)的總線控制權(quán)。而備份計(jì)算機(jī)奪取主計(jì)算機(jī)的總線控制權(quán)的前提是主計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障后不能正常工作，主計(jì)算機(jī)將故障指示信號(hào)發(fā)送至備份計(jì)算機(jī)，備份計(jì)算機(jī)接收到主計(jì)算機(jī)的信號(hào)后奪取總線控制權(quán)。該慣導(dǎo)系統(tǒng)主計(jì)算機(jī)的相關(guān)功能經(jīng)測(cè)試均正常，在主計(jì)算機(jī)正常工作的狀態(tài)下，備份計(jì)算機(jī)主動(dòng)奪取總線控制權(quán)，進(jìn)而確認(rèn)是由于備份計(jì)算機(jī)故障導(dǎo)致了慣導(dǎo)系統(tǒng)報(bào)故。

2故障原因分析

2.1備份計(jì)算機(jī)原理

在正常情況下，備份計(jì)算機(jī)執(zhí)行衛(wèi)星導(dǎo)航接口機(jī)的功能，通過(guò)R$232串行口與雙G接收機(jī)交聯(lián)。同時(shí)，主計(jì)算機(jī)通過(guò)總線周期性地向雙13RAM存放（刷新）數(shù)據(jù)。當(dāng)主計(jì)算機(jī)故障時(shí)，備份計(jì)算機(jī)奪取總線控制權(quán)，并從雙13RAM取得最近的數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算和控制，其電路原理如圖1所示。

2.2備份機(jī)可能存在的故障原因

可能導(dǎo)致備份計(jì)算機(jī)奪取主計(jì)算機(jī)總線控制權(quán)的原因包括備份計(jì)算機(jī)插針虛焊接觸不良、備份計(jì)算機(jī)主程序芯片故障、可編程邏輯器件故障。

1）備份計(jì)算機(jī)插針虛焊接觸不良

插針是備份計(jì)算機(jī)與慣導(dǎo)系統(tǒng)其他電子線路板進(jìn)行信號(hào)交聯(lián)的通道，插針虛焊或斷針都會(huì)影響備份計(jì)算機(jī)與慣導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)其他電子線路板問的正常通信，進(jìn)而造成備份計(jì)算機(jī)奪取主計(jì)算機(jī)的總線控制權(quán)，導(dǎo)致慣導(dǎo)系統(tǒng)報(bào)故。利用x射線電子線路分析儀對(duì)備份計(jì)算機(jī)插針的線路進(jìn)行檢測(cè)，插針狀態(tài)完好，故排除插針虛焊接觸不良引起備份計(jì)算機(jī)故障的可能性。

2）備份計(jì)算機(jī)主程序芯片故障

備份計(jì)算機(jī)的主程序芯片共有4片EPROM，程序芯片中加載的備份計(jì)算機(jī)程序是整個(gè)備份計(jì)算機(jī)的核心。備份計(jì)算機(jī)的工作流程及工作機(jī)制都是由備份計(jì)算機(jī)程序控制的，一旦主程序芯片出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致備份計(jì)算機(jī)不能正常工作。拆下4片程序芯片，將原有程序擦除，重新加載程序，并將程序芯片裝回備份計(jì)算機(jī)板，慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行綜合環(huán)境試驗(yàn)依舊報(bào)故，故排除備份計(jì)算機(jī)主程序芯片故障引起慣導(dǎo)系統(tǒng)報(bào)故的可能性。

3）可編程邏輯器件故障

備份計(jì)算機(jī)電路中有多個(gè)可編程邏輯器件，也稱可編程門電路，這些芯片根據(jù)不同的信號(hào)處理功能加載不同的邏輯程序，在數(shù)字電路中實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能。如果這些可編程門電路出現(xiàn)故障，必然導(dǎo)致備份計(jì)算機(jī)中的各邏輯信號(hào)紊亂，造成備份計(jì)算機(jī)故障。由于備份計(jì)算機(jī)中可編程門電路數(shù)量較多，因此采用逐一排除的方法不可取，只能從備份計(jì)算機(jī)的工作原理入手，對(duì)備份計(jì)算機(jī)奪取主計(jì)算機(jī)總線控制權(quán)的工作機(jī)理進(jìn)行分析。

在慣導(dǎo)系統(tǒng)正常工作時(shí)，備份計(jì)算機(jī)的主要功能是執(zhí)行衛(wèi)星導(dǎo)航接口機(jī)的功能。當(dāng)主計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，主計(jì)算機(jī)會(huì)向備份計(jì)算機(jī)發(fā)送主計(jì)算機(jī)故障指示信號(hào)，接收到來(lái)自主計(jì)算機(jī)的故障指示信號(hào)后，備份計(jì)算機(jī)向主計(jì)算機(jī)發(fā)出奪取總線控制權(quán)的信號(hào)。經(jīng)測(cè)試主計(jì)算機(jī)功能正常，由此斷定是備份計(jì)算機(jī)的控制程序出現(xiàn)了邏輯錯(cuò)誤，在沒有接收到主計(jì)算機(jī)的故障指示信號(hào)的情況下發(fā)出了奪取總線控制權(quán)信號(hào)，如圖2所示。

對(duì)可編程門電路進(jìn)行機(jī)理分析，當(dāng)主計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，向三態(tài)門芯片的A、B端發(fā)送主計(jì)算機(jī)故障信號(hào)，同時(shí)可編程門電路K通過(guò)c、D端向三態(tài)門發(fā)送邏輯控制信號(hào)，三態(tài)門通過(guò)E、F端向可編程門電路H的D2、D3端發(fā)送信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生奪權(quán)信號(hào)。測(cè)試表明主計(jì)算機(jī)并沒有向三態(tài)門的A、B端發(fā)送主機(jī)故障信號(hào)，但是可編程門電路H的D2、D3端確實(shí)收到了來(lái)自三態(tài)門E、F端的相應(yīng)信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生奪權(quán)信號(hào)，因此，判定可編程門電路K存在故障，進(jìn)而引發(fā)了備份計(jì)算機(jī)奪取總線控制權(quán)的故障。將存在故障的可編程門電路K從備份計(jì)算機(jī)電路板中拆下，發(fā)現(xiàn)此芯片的管腳存在斷裂情況。

3失效分析

此可編程門電路為進(jìn)口產(chǎn)品，制造工藝及材質(zhì)不詳，表面有三防膠保護(hù)。用無(wú)水乙醇清洗后，除去表面三防膠。通過(guò)對(duì)管腳斷口進(jìn)行微觀形貌觀察、微區(qū)成分能譜分析，確定了管腳的失效性質(zhì)，并對(duì)其失效原因進(jìn)行了分析。

由圖3可見，管腳斷口均較為平坦，無(wú)明顯的擴(kuò)展棱線;斷口邊緣的磨損痕跡多由后期制樣過(guò)程造成，非斷裂過(guò)程形成;觀察斷口的微觀形貌，可見典型的疲勞弧線，斷裂均從一側(cè)起源，而后逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展，最終形成斷裂或裂紋;斷口表面顏色均一，呈亮灰色，無(wú)腐蝕或氧化特征，為常期振動(dòng)形成。針腳斷口微觀形貌均可見典型的疲勞條帶，表明斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。若振動(dòng)應(yīng)力達(dá)到了管腳的疲勞極限應(yīng)力，則疲勞裂紋會(huì)在管腳表面起源，并逐漸擴(kuò)展，最終斷裂。

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某型慣導(dǎo)產(chǎn)品備份機(jī)奪權(quán)故障，進(jìn)行備份機(jī)故障分析研究。通過(guò)對(duì)奪權(quán)原理梳理分析，對(duì)故障芯片進(jìn)行x射線電子線路分析研究，實(shí)現(xiàn)了故障定位與排除，最后從失效分析結(jié)果印證了此次備份機(jī)故障原因。整體來(lái)看，斷裂管腳位于可編程門電路的右上角，在長(zhǎng)期振動(dòng)過(guò)程中此方向振動(dòng)應(yīng)力最大。針對(duì)管腳疲勞失效的特征情況制定以下措施。

1）在可編程門電路安裝使用之前，應(yīng)檢查針腳的狀態(tài)，排除有裂紋針腳的情況。

2）在產(chǎn)品安裝、修理及調(diào)試過(guò)程中應(yīng)避免產(chǎn)生多余的應(yīng)力。

以上措施的實(shí)施，有效降低了該型備份機(jī)的故障發(fā)生率，提高了裝備的使用可靠性。