嚴(yán)豪杰，陳 哲，張涵中

（1.中國(guó)人民解放軍93170 部隊(duì)，陜西西安 710089；2.中航工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西西安 710089）

0 引言

PHM（Prognostics and Health Management，故障診斷與健康管理技術(shù)）作為航空裝備新一代測(cè)試與診斷技術(shù)，不僅能最大限度保障航空裝備的運(yùn)行安全，提高完成任務(wù)的能力，而且對(duì)新型號(hào)航空裝備適應(yīng)二級(jí)維修體制需要，減少全壽命周期維護(hù)費(fèi)用具有重要的作用。PHM 系統(tǒng)維護(hù)自檢不通過(guò)會(huì)導(dǎo)致PHM系統(tǒng)全部功能失效，無(wú)法對(duì)飛機(jī)進(jìn)行故障診斷和健康監(jiān)測(cè)，嚴(yán)重影響飛機(jī)架次出動(dòng)率和完成既定任務(wù)的能力。

1 故障情況

某飛機(jī)在進(jìn)行地面通電檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)PHM 系統(tǒng)維護(hù)測(cè)試自檢結(jié)果為“未通過(guò)”。在試驗(yàn)室引出故障件PHM 系統(tǒng)模塊調(diào)試串口，模擬故障發(fā)生時(shí)的機(jī)載環(huán)境，復(fù)現(xiàn)故障，查看PHM 系統(tǒng)軟件在維護(hù)測(cè)試自檢過(guò)程中的串口信息，發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)維護(hù)自檢過(guò)程中串口信息顯示“PCI-to-PCI bridge connection found Error! ”。進(jìn)一步將PHM 系統(tǒng)在試驗(yàn)室測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行模塊測(cè)試，模塊測(cè)試過(guò)程中多次報(bào)“PCI-to-PCI bridge connection found Error! ”，根據(jù)故障上報(bào)信息，將PHM 系統(tǒng)維護(hù)自檢不通過(guò)故障原因定位為PCI 橋連接故障。

2 故障分析

PHM 系統(tǒng)模塊由MMM-CPM 基板（下文簡(jiǎn)稱為CPM 板）和MMM-MEM 背板（下文簡(jiǎn)稱為MEM 板）組成，CPM 板和MEM板通過(guò)PCI 總線分別連接到PCI 橋芯片（PCI6466）的A、B 端口，通過(guò)PCI 橋芯片建立通信。在進(jìn)行維護(hù)自檢時(shí)，CPM 板接收系統(tǒng)維護(hù)指令，對(duì)CPM 板中各芯片進(jìn)行自檢，并通過(guò)PCI 橋芯片將自檢指令發(fā)送至MEM 板，要求MEM 板各芯片完成自檢，并將自檢結(jié)果通過(guò)PCI 橋芯片返回CPM 板，CPM 板將自檢結(jié)果統(tǒng)一上報(bào)至PHM 系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。CPM 板和MEM 板在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信前，需要分別對(duì)PCI 橋芯片的A、B 端口進(jìn)行初始化，建立A、B 端口的映射關(guān)系。CPM 板、MEM 板與PCI 橋芯片的互聯(lián)關(guān)系如圖1 所示。

圖1 CPM 和MEM 與PCI 橋芯片互聯(lián)示意

3 故障定位

根據(jù)PCI 橋的工作原理，將PCI 橋連接故障作為頂層事件，建立故障樹(shù)（圖2），對(duì)可能引起PCI 橋連接故障事件進(jìn)行逐項(xiàng)排查分析。

圖2 PCI 橋連接故障樹(shù)

3.1 X1 硬件問(wèn)題排查

3.1.1 X1.1 供電電路故障排查

PCI6466 主要有3.3 V 和1.8 V 兩種供電電壓，與模塊內(nèi)其他芯片共用，均為L(zhǎng)TM4600 DC/DC 轉(zhuǎn)換器由5 V 供電轉(zhuǎn)換而成。查詢PCI6466 芯片手冊(cè)，其中要求3.3 V 要早于1.8 V 先上電或與1.8 V 同時(shí)上電，但兩者之間的時(shí)間差不能超過(guò)10 ms，且最好使兩個(gè)電壓的爬升曲線基本一致，保證在電壓爬升過(guò)程中3.3 V 始終比1.8 V 至少高500 mV。測(cè)量PCI 板內(nèi)3.3 V和1.8 V 的電源上升曲線，可以看出兩種電壓的爬升曲線樣式基本相同，在上電過(guò)程中3.3 V 始終高于1.8 V。

核對(duì)PCI6466 手冊(cè)和邏輯圖，未發(fā)現(xiàn)供電電路上的設(shè)計(jì)缺陷，可以排除供電電路設(shè)計(jì)問(wèn)題。

3.1.2 X1.2 時(shí)鐘電路故障排查

PCI6466 有A 端和B 端兩個(gè)獨(dú)立的外部時(shí)鐘輸入。A 端口同步主時(shí)鐘輸入P_CLKIN，B 端口同步從時(shí)鐘輸入S_CLKIN，兩端均為采用對(duì)稱非透明橋模式，它們之間都沒(méi)有相位差限制，PCI6466 的時(shí)鐘關(guān)系如圖3 所示。

圖3 PCI6466 主從時(shí)鐘關(guān)系

CPM 板和MEM 板的PCI 總線均為32 bit、66 MHz，經(jīng)測(cè)量時(shí)鐘信號(hào)P_CLKIN 和S_CLKIN 無(wú)異常，經(jīng)過(guò)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器后使用66 MHz 時(shí)鐘的其他PCI 設(shè)備工作正常，因此排除時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)問(wèn)題。

3.1.3 X1.3 復(fù)位電路故障排查

PCI6466 有3 個(gè)復(fù)位信號(hào)PWRGD，P_RSTIN 和S_RSTIN，PWRGD 的有效沿、無(wú)效沿和信號(hào)P_CLKIN、S_CLKIN 是異步的。通常情況下，當(dāng)P_RSTIN 或S_RSTIN 為高電平時(shí)，PWRGD不會(huì)變?yōu)榈碗娖?。PCI6466 手冊(cè)要求PWRGD 信號(hào)在S_RSTIN的前面。經(jīng)檢測(cè)，S_RSTIN 信號(hào)滯后PWRGD 信號(hào)1 s 后變高（圖4），滿足PCI6466 手冊(cè)要求，排除復(fù)位電路設(shè)計(jì)問(wèn)題。

圖4 PWRGD 和S_RSTIN時(shí)序

3.1.4 X1.4 模式配置故障排查

PCI6466 是用來(lái)橋接兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，主從端口之間為異步工作，所以兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)能運(yùn)行在不同的頻率。PCI6466 外部管腳配置如圖5所示，TRANS# 由邏輯賦值為1，U_MODE 直接下拉到GND，XB_MEM 邏輯賦值為 0，PBOOT 上拉到3.3 V，外部配置模式符合PCI6466 手冊(cè)要求，排除模式配置錯(cuò)誤。

圖5 PCI6466 外部管腳配置

3.1.5 X1.5 芯片故障排查

對(duì)PCI6466 芯片開(kāi)展X 光檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，排除焊接問(wèn)題。訪問(wèn)PCI6466 的配置空間進(jìn)行PCI 初始化，A、B 端口可以正確完成配置，PHM 系統(tǒng)CPM 和MEM 模塊可以正常進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，說(shuō)明PCI6466 芯片各信號(hào)線傳輸正常，因此可以排除芯片自身故障。

綜上所述，通過(guò)分析和試驗(yàn)可以排除硬件PCI 橋硬件電路問(wèn)題。

3.2 X2 軟件故障排查

通過(guò)軟件插樁的方法將故障模塊進(jìn)行排查定位，發(fā)現(xiàn)軟件運(yùn)行到PCI6466 ATRInit 函數(shù)的pciFindDevice 語(yǔ)句處，PHM 維護(hù)自檢不通過(guò)故障發(fā)生。對(duì)該語(yǔ)句軟件代碼進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)該語(yǔ)句運(yùn)行后獲取PCI6466 芯片內(nèi)部PCI Configuration ID 寄存器結(jié)果不是期望的數(shù)值，導(dǎo)致軟件無(wú)法判斷其所連接的端口，程序無(wú)法進(jìn)行PCI6466 橋芯片初始化操作，并報(bào)告“PCI-to-PCI bridge connection found Error! ”故障信息。

通過(guò)故障樹(shù)分析可以看出，X2 軟件故障是PHM 系統(tǒng)維護(hù)自檢“未通過(guò)”的最終底事件，故障定位到PCI6466 橋芯片軟件初始化故障。

4 機(jī)理分析

PCI6466 ATRInit 函數(shù)設(shè)計(jì)如圖6 所示。軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了根據(jù)讀取到PCI6466 芯片內(nèi)部的PCI Configuration ID寄存器的數(shù)值來(lái)判別所在位置，進(jìn)而決定進(jìn)入何種初始化流程方式。PCI Configuration ID 寄存器是用來(lái)存儲(chǔ)PCI 橋芯片標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)的，由于PHM 系統(tǒng)中僅存在一個(gè)PCI 橋芯片，PCI 橋在使用中無(wú)需通過(guò)PCI Configuration ID 寄存器存儲(chǔ)的標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)對(duì)PCI 橋芯片進(jìn)行標(biāo)識(shí)，因此在硬件設(shè)計(jì)時(shí)為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)可靠性，不對(duì)PCI Configuration ID 寄存器設(shè)置上電使能外部配置電路。PCI6466 芯片在軟件初始化設(shè)計(jì)時(shí)，沒(méi)有分析PCI 橋芯片的硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程，采用常規(guī)的軟件設(shè)計(jì)方法依據(jù)PCI Configuration ID 寄存器數(shù)值來(lái)判斷是否進(jìn)入初始化程序分支。由于寄存器未設(shè)置上電使能外部配置電路，寄存器數(shù)值為不確定狀態(tài)，導(dǎo)致軟件進(jìn)入“不進(jìn)行初始化操作”的分支，進(jìn)而導(dǎo)致PCI6466橋芯片初始化失敗。當(dāng)CPM 板執(zhí)行BIT 操作時(shí)，由于PCI 橋A、B 端口初始化失敗，MEM 板無(wú)法響應(yīng)BIT 指令，最終導(dǎo)致PHM系統(tǒng)維護(hù)自檢不通過(guò)。

圖6 PCI6466 ATRInit 函數(shù)流程

5 糾正措施及驗(yàn)證

在初始化PCI6466 橋芯片時(shí)，更改軟件取消判讀PCI Configuration ID 寄存器的操作。CPM 模塊直接進(jìn)行PCI6466 橋芯片的A 端口的初始化，MEM 模塊直接進(jìn)行PCI6466 橋芯片的B 端口的初始化，CPM和MEM 各自使用不同的代碼，改進(jìn)后的MEM 和CPM 初始化流程如圖7 所示。

圖7 CPM 和MEM 初始化PCI6466 流程

在試驗(yàn)室對(duì)改進(jìn)后的PHM 系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)論為：①PHM 系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)未出現(xiàn)自檢不通過(guò)現(xiàn)象；②PHM 軟件運(yùn)行正常有效，能夠正確實(shí)現(xiàn)規(guī)定的系統(tǒng)功能。

測(cè)試結(jié)論可以看出，通過(guò)取消判讀PCI Configuration ID 寄存器的操作，使CPM 和MEM 模塊獨(dú)立對(duì)PCI6466 橋芯片A、B端口進(jìn)行初始化，能夠有效避免PCI6466 橋芯片初始化失敗問(wèn)題，保證PHM 系統(tǒng)能夠有效運(yùn)行。

6 結(jié)論

通過(guò)上述分析，造成PHM 系統(tǒng)維護(hù)自檢“未通過(guò)”的根本原因是：PHM 系統(tǒng)中僅存在一個(gè)PCI 橋芯片，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)可靠性，不需對(duì)PCI Configuration ID 寄存器設(shè)置上電使能外部配置電路。而軟件在初始化設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員依據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有分析PHM 系統(tǒng)中PCI 橋芯片硬件的特殊實(shí)現(xiàn)過(guò)程，依據(jù)PCI Configuration ID 寄存器數(shù)值來(lái)判斷是否進(jìn)入初始化程序分支，導(dǎo)致程序進(jìn)入“不對(duì)PCI6466 橋芯片進(jìn)行初始化操作”的分支，PCI6466 橋芯片A、B 端口映射關(guān)系無(wú)法正常建立，PHM 系統(tǒng)維護(hù)自檢“未通過(guò)”。在進(jìn)行裝備軟件設(shè)計(jì)時(shí)，跳出固有的思維模式，采用面向硬件特性的軟件設(shè)計(jì)思維，確保軟硬件設(shè)計(jì)兼容有效。