一種基于故障樹的FC總線接口模塊故障分析方法

武堅 朱志強 孫東旭

摘要：光纖通信總線（以下簡稱“FC總線”）接口模塊已廣泛應(yīng)用于航空多種通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，為網(wǎng)絡(luò)中各子系統(tǒng)之間的互聯(lián)提供通信支持。因其使用環(huán)境復(fù)雜，功能電路種類繁多，在出現(xiàn)故障時往往難以分析和定位。該文對標(biāo)準(zhǔn)FC總線接口模塊的工作原理進行了分析，完成了適用于多型FC總線接口模塊的故障樹建模，可對主要的故障模式進行迅速分析和定位排查，提升了產(chǎn)品的維修性和維修效率。

關(guān)鍵詞：FC總線接口模塊;故障樹

中圖分類號：TP3? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）11-0041-02

1 介紹

FC總線具備高帶寬、低延遲、高可靠等特性[1]，能夠滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中對帶寬和數(shù)據(jù)傳輸實時性的較高要求，目前符合FC-AE-ASM協(xié)議的FC總線接口模塊已作為FC網(wǎng)絡(luò)的核心接口設(shè)備，廣泛應(yīng)用于航空產(chǎn)品的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為各子系統(tǒng)之間的互聯(lián)提供通信支持[2]。隨著FC網(wǎng)絡(luò)作為主干網(wǎng)絡(luò)在多種通信模式中加以應(yīng)用，以及FC總線接口模塊配套和使用數(shù)量的日益增加，F(xiàn)C網(wǎng)絡(luò)通信出現(xiàn)故障的情況也日益增多。由于FC總線接口模塊故障涉及供電電路故障、時鐘電路故障、光電收發(fā)器故障等多種故障模式，故障分析及定位排查非常困難。本文選取自頂向下識別系統(tǒng)故障的故障樹建模分析法[3]，結(jié)合FC總線接口模塊工作原理進行建模及分析，提供了一種通用的故障分析方法，提升了模塊的維修性及故障排查定位的工作效率。

2 FC總線接口模塊工作原理

標(biāo)準(zhǔn)的FC總線接口模塊基于FPGA進行設(shè)計，以FPGA作為核心器件，在外圍設(shè)計為產(chǎn)品供電的電源電路、提供通信頻點的時鐘電路，以及對外通信的FC通信接口和主機通信接口等功能電路，總體結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

FC總線接口常采用5V進行供電，通過電源電路的設(shè)計，將5V轉(zhuǎn)換為模塊內(nèi)部所需的3.3V等DC/DC電源和為高速I/O管腳供電的線性電源，高速串行I/O對電源的品質(zhì)有較高的要求，它需要良好的紋波特性，因此電源電路除了要求采用性能良好的電源模塊以外，每路I/O都需要加一個指定的電容和磁珠。為了保證FC總線接口模塊兼容不同網(wǎng)絡(luò)的通信速率，在時鐘電路中通過晶體振蕩器來提供FC工作所需的212.5MHz時鐘及40MHz的系統(tǒng)時鐘。同時搭建存儲電路，使用FLASH芯片作為FPGA底層應(yīng)用和上層配置路由表信息的存儲芯片。復(fù)位電路的存在則為了避免模塊在上電過程出現(xiàn)不穩(wěn)態(tài)，總線信號沖突等異常狀況，通過設(shè)計外置上下拉電阻可以將復(fù)位信號保持為固定狀態(tài)。FC總線的電信號通過光電收發(fā)器電路進行轉(zhuǎn)換，通過高速直流耦合使串行鏈路達到最優(yōu)化，適合于短距離高速數(shù)據(jù)通信。具體工作流程見圖2。

3 通用故障樹建模分析

FC總線接口模塊在實際的應(yīng)用環(huán)境中，存在多種因模塊各功能電路失效導(dǎo)致的故障模式，從網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)層面來看，模塊無法正常工作最終導(dǎo)致的故障即為FC通信失敗，使用接口模塊的子系統(tǒng)FC不上線。本文結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)FC總線接口模塊的功能電路設(shè)計及工作原理，選取最常見的FC不上線故障建立故障樹，將其作為故障樹分析的頂事件，建立針對此類故障的通用故障分析模型如下圖3所示。

圖3中列出的7種故障模式與頂事件的具體關(guān)系分析如下：

（1）電源電路存在異常，會導(dǎo)致模塊無法正常啟動或工作異常，最終導(dǎo)致FC不上線故障;

（2）時鐘電路用以保證接口模塊各時序電路、使用到時鐘信號的相關(guān)器件的正常運行，若存在時鐘電路故障，存在時鐘信號頻點異常等現(xiàn)象，則會導(dǎo)致功能電路運行故障，最終導(dǎo)致頂事件發(fā)生;

（3）復(fù)位電路故障，會導(dǎo)致FC節(jié)點啟動異常、復(fù)位不受控、最終導(dǎo)致FC不上線的故障現(xiàn)象;

（4）FPGA作為模塊的核心器件，提供多個高速I/O接口，它的失效將導(dǎo)致整個接口模塊功能喪失;

（5）PCI-E鏈路作為與主機端通信的關(guān)鍵鏈路，若發(fā)生故障，就會導(dǎo)致主機訪問出錯，最終無法通信;

（6）存儲電路用以存儲FC配置信息和應(yīng)用軟件，當(dāng)存儲電路故障時，F(xiàn)PGA無法獲取工作所需的必要信息，將會導(dǎo)致FC不上線故障的發(fā)生;

（7）光電收發(fā)器電路故障，會導(dǎo)致通信光纖不發(fā)光，F(xiàn)C通信鏈路工作異常，最終導(dǎo)致頂事件發(fā)生。

由上述分析可知，7種故障模式均可導(dǎo)致頂事件的發(fā)生，因此選擇“與門”將各事件進行串聯(lián)。在FC總線接口模塊遇到故障時，只需按照通用故障樹中A1-A7的事件順序逐項進行分析排查，各分支事件的具體分析排查方法見表1。

按照圖3中給出的FC總線接口模塊的通用故障樹及表1中的測試方法，在遇到故障時可快速開展分析排查工作，在分析時根據(jù)產(chǎn)品實際測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的對比，再結(jié)合產(chǎn)品的原理分析，就可以快速完成FC總線接口模塊的故障定位，有效節(jié)省了排故時間。

4 結(jié)束語

FC總線接口模塊承擔(dān)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的任務(wù)，其應(yīng)用分布于飛機的各個區(qū)域，對其進行快速的故障分析和排查定位具有重要意義。本文提出了一種基于故障樹的FC總線接口模塊的故障分析方法，通過分析接口模塊的使用場景，確認(rèn)了故障樹分析建模中的頂事件，并根據(jù)接口模塊的結(jié)構(gòu)和工作原理設(shè)計了通用的故障樹，給出了通用故障樹中各分支事件故障的具體分析方法，為FC接口模塊各類故障的分析定位提供了理論指導(dǎo)，提升了產(chǎn)品的維修性和故障定位效率。

參考文獻：

[1] 俞大磊，何立軍，解文濤.FC統(tǒng)一光纖網(wǎng)絡(luò)在綜合化航電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2016，45（5）：77-79.

[2] 張青峰，葛晨，秦正運.航空數(shù)據(jù)總線技術(shù)分析與發(fā)展[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（12）：150-151.

[3] 郭強，王秋芳，劉樹林，等.系統(tǒng)可靠性理論：模型、統(tǒng)計方法及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.

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