飛控計(jì)算機(jī)CPU 模塊典型故障分析

郭華偉 王兆娜/石家莊海山實(shí)業(yè)發(fā)展總公司

CPU 模塊是通用計(jì)算機(jī)的核心模塊，擔(dān)任計(jì)算機(jī)的任務(wù)調(diào)度和計(jì)算，其故障具有一定的規(guī)律性。本文著重介紹其復(fù)位故障、自檢故障、存儲器故障、串口故障及其排除方法，并對故障原因進(jìn)行了分析。

圖1 飛控計(jì)算原理結(jié)構(gòu)圖

圖2 處理器模塊結(jié)構(gòu)功能圖

1 CPU 模塊基本原理

某飛控計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，從中可以看出，處理器模塊是整個(gè)計(jì)算機(jī)的核心部件。處理器模塊主要完成數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)存取以及控制各接口模塊工作等任務(wù)。處理器模塊的基本結(jié)構(gòu)及功能單元如圖2 所示。

該處理器模塊采用Intel8086 微處理器，CPU 的字長為16 位，存儲器的尋址空間為1MB，I/O 尋址空間為64kB，可按字節(jié)或字處理數(shù)據(jù)；總線時(shí)鐘頻率為5MHz，一個(gè)總線周期至少有四個(gè)時(shí)鐘周期。模塊的CPU 配置為最小模式，即所有控制信號都由8086 芯片發(fā)出，無需總線控制器進(jìn)一步譯碼；時(shí)鐘發(fā)生器8284 為CPU 提 供CLK、RESET、READY 信號。

處理器模塊的數(shù)據(jù)存儲器RAM 采用512k×32 的靜態(tài)存儲器芯片，存儲容量為2MB，存取時(shí)間最大為35ns，插入一個(gè)等待周期。FLASH 程序存儲器由一片ACT-F128K32N-070P7 構(gòu)成，采用16 位內(nèi)存的連接方式，CPU 對FLASH 的讀操作設(shè)置為“0”等待，即讀一次FLASH 可在四個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，F(xiàn)LASH 用于存儲調(diào)試程序及用戶應(yīng)用程序，有板外控制和板內(nèi)控制兩種方式。

處理器模塊的三個(gè)復(fù)位源分別為：上電復(fù)位，來自MAX791 的RESET#端，當(dāng)VCC 低于4.65V 時(shí)有效；板外復(fù)位，來自連接器插座；看門狗復(fù)位，來 自MAX791 的WDPO# 端， 當(dāng)1.6s內(nèi)WDI 沒有變化，WDPO#會產(chǎn)生一個(gè)1ms 的低脈沖用于復(fù)位整個(gè)系統(tǒng)，可通過對特定端口進(jìn)行寫操作清看門狗，也可將INHWDG#置為有效以防止看門狗叫。三個(gè)復(fù)位源由CPLD 進(jìn)行譯碼組合，生成RES#輸出至8284，再由8284 生成RESET 信號輸出至CPU。

處理器模塊的不可屏蔽中斷（NMI）僅有一個(gè)中斷源，即來自板外的ONMI?？善帘沃袛嚯娐酚梢黄?259和一片240 組成，8259 可處理8 級中斷，板外輸入的8 級中斷經(jīng)上拉后，再經(jīng)反相器接至8259，中斷信號為低電平或是下降沿有效。

處理器模塊的定時(shí)器由一片8254構(gòu)成，該定時(shí)器的三路輸入時(shí)鐘（CLK0、CLK1、CLK2），門控信號（GAT0、GAT1、GAT2）及三路輸出信號（OUT0、OUT1、OUT2）全部引出，門控信號在板內(nèi)上拉，使三路計(jì)時(shí)器均處于計(jì)數(shù)使能狀態(tài)。

處理器模塊的串口電路通常為調(diào)試電路，用于調(diào)試命令的輸入和調(diào)試信息的輸出，有工作后再查詢方式和中斷方式兩種。該處理器模塊由一片SMHK381、一片MAX232 和一片MAX488 組成，在異步查詢方式下工作。

處理器模塊的并口電路由兩片8259、四片245 和一片373 組成。

2 故障原因分析和排除方法

2.1 看門狗電路引起的CPU 系統(tǒng)配套自檢報(bào)故

對產(chǎn)品加電測試，測試CPU模塊時(shí)，看門狗報(bào)錯(cuò)。

該CPU 模塊有單獨(dú)的看門狗計(jì)時(shí)器，看門狗計(jì)時(shí)設(shè)置和計(jì)時(shí)過程由獨(dú)立于軟件操作的硬件來完成，如圖3 所示，看門狗的清除由軟件完成。該CPU 模塊看門狗計(jì)時(shí)器電路使用MAX791 芯片，看門狗計(jì)時(shí)周期設(shè)計(jì)值為70±20ms。測量故障模塊的看門狗周期為49ms，低于設(shè)計(jì)下限，通過測量確認(rèn)看門狗輸入與設(shè)置均正常，因此將故障定位至D9（MAX791MJE）芯片。

更換D9 芯片，檢測看門狗周期為64ms，通電檢查看門狗，測試合格。

2.2 高溫70°時(shí)CPU 不啟動

對產(chǎn)品加電測試，常溫正常，高溫時(shí)CPU 串口無輸出。

在產(chǎn)品出現(xiàn)故障時(shí)對CPU 模塊進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)其死機(jī)時(shí)處于讀存儲器狀態(tài)。 分 別 對RAM、ROM、FLASH 芯片進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)CPU 在讀ROM 芯片D10（MD27C210-20/B） 后 死 機(jī)。對D10 芯片片選信號及其地址線進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)地址線D17 在高溫下的高電平僅為0.7V，正常應(yīng)為5V，因此確定D10 芯片高溫下失效。

更換D10 芯片，通電檢查，常溫、高低溫測試均合格。D10 為DIP 封 裝， 芯片與焊接引腳的引線在高溫時(shí)存在接觸不良情況。

2.3 飛控計(jì)算機(jī)自檢顯示故障

常溫加電測試正常，未發(fā)現(xiàn)故障，低溫狀態(tài)下CPU 死機(jī)。

低溫故障狀態(tài)下測試發(fā)現(xiàn)CPU 模塊地址使能信號ADS#無效，對其時(shí)鐘信號、復(fù)位信號、地址線、數(shù)據(jù)線和控制信號進(jìn)行測量，輸入CPU 的信號均正常。因此，判斷D1 芯片33 腳失效。

更換D1 芯片，通電檢查，常溫、高低溫測試均合格。芯片高低溫故障通常是芯片內(nèi)部缺陷所致，造成焊接引腳與芯片引線接觸不良。

2.4 CPU 自檢時(shí)EEPROM READ 報(bào)錯(cuò)

CPU自檢時(shí)EEPROM READ報(bào)錯(cuò)。對EEPROM 進(jìn)行讀操作，發(fā)現(xiàn)其67fff8與67fff0 地址單元數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

EEPROM 的檢查方法是：根據(jù)EEPROM 特定單元寫入特定的數(shù)據(jù)，檢查寫入數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和，校驗(yàn)和正確，則判定EEPROM 測試合格。分析認(rèn)為，產(chǎn)品工作過程中飛控應(yīng)用程序也會對EEPROM 進(jìn)行操作，可能存在地址沖突，導(dǎo)致EEPROM中存儲的數(shù)據(jù)系列出錯(cuò)，使校驗(yàn)和錯(cuò)誤，導(dǎo)致EEPROM READ報(bào)錯(cuò)。

對EEPROM 的67fff8 與67fff0 地址單元寫入正確數(shù)據(jù)00、01，通電檢查，EEPROM READ 測試合格。

該故障是由于EEPROM 未進(jìn)行初始化而導(dǎo)致校驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)錯(cuò)。

2.5 串行口故障

飛控計(jì)算機(jī)裝機(jī)后，用飛控外場檢測儀進(jìn)行通電調(diào)試，發(fā)現(xiàn)檢測儀無檢測數(shù)據(jù)顯示，但用內(nèi)場檢測設(shè)備測試該飛控計(jì)算機(jī)各項(xiàng)性能正常。

圖3 看門狗電路

圖4 串口電路

該串口電路由一片SMHK381、一片MAX232 和MAX488 組成，如圖4所示，分別提供2 路串行接口，用于軟件調(diào)試和串行通信，串行接口配置為一路RS232 和一路RS422，該串口電路用于調(diào)試命令的輸入和調(diào)試信息的輸出，可工作在查詢方式或中斷方式。

對內(nèi)外場測試設(shè)備的測試差異進(jìn)行梳理對比，發(fā)現(xiàn)內(nèi)外場測試未使用同一接口，內(nèi)場測試使用的是KFS-7A 飛控計(jì)算機(jī)檢測專用口CZ3 中的RS232 接口，而機(jī)上測試使用的是KFS-7A 飛控計(jì)算機(jī)CZ1 口中的RS422 接口。

對處理器模塊使用的RS422 接口進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)該CPU 模塊RS422 接口3 腳無數(shù)據(jù)輸出，導(dǎo)致外場測試設(shè)備與KFS-7A 飛控計(jì)算機(jī)無法建立通信，外場測試設(shè)備測試頁面無飛機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示。更換CPU 板D17 MAX488 RS422接口芯片，故障排除。

由于測試設(shè)備生產(chǎn)廠家、制造時(shí)間的不同，極易出現(xiàn)外場測試設(shè)備與內(nèi)場測試設(shè)備采用不同物理接口的情況，可能因產(chǎn)品接口故障產(chǎn)生完全不同的測試結(jié)果。因此，熟悉產(chǎn)品測試接口的工作方式，對于此類故障的排除有很大幫助。

3 結(jié)束語

本文介紹了某型飛控計(jì)算機(jī)CPU處理器模塊的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，通過列舉的典型故障，講解了CPU 模塊各個(gè)功能電路的的測試方法和排故思路。以上經(jīng)驗(yàn)對于其他類型架構(gòu)處理模塊故障的解決也有普遍的借鑒 意義。