基于虚拟仪器1553B总线模块故障诊断系统设计

摘要：分析1553B总线模块设计原理基础上，通过对1553B总线模块故障树的定性和定量分析，构建基于故障树的故障诊断系统。描述基于虚拟仪器技术的故障诊断系统实现方案并设计相应的单元测试集，提高故障定位的精确度。

0 引言

1553B总线全称“数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线”，是一种串行多路数据总线标准。20世纪70年代，美国公布了MIL-STD-1553标准，首次应用在F-16A/B战斗机上，成为三代战机航电系统的主要特色之一。随着技术的改进和完善，在1980年之后推出MIL-STD-1553B标准，1553B总线在可靠性高，实时性强等方面优点使它在现代武器系统中越来受到重视。目前，1553B总线广泛应用于各种作战飞机，同时拓展到各种战车、导弹，舰船等武器平台。

1553B总线模块涉及的项目种类多，维修保障数量大，要快速完成故障模块的维修和保障有很大难度。为了降低故障定位难度，缩减维修时间，提高维修质量，研究以通用1553B总线模块维修平台为依托的通用1553B总线模块故障诊断系统设计，具有重要的意义。

1 1553B总线模块的系统结构

分析1553B总线模块的系统结构，系统结构设计如图1所示。1553B总线模块硬件主要包括通信控制器(CPU、EPROM、RAM及时钟复位电路组成，它主要承担着传输层任务，包括控制1553B协议处理器，处理通信错误，响应系统主机命令进行服务等功能)、共享存储器(DPRAM)、1553B协议处理器、双通道总线收/发器和隔离变压器、计时器(实时时钟RTC)、与子系统主机接口控制逻辑、内部控制逻辑和串行口电路

2 维修测试平台系统集成

维修测试平台采用了基于VXI总线虚拟仪器技术。维修测试平台系统硬件平台主要由系统控制器、VXI测试系统、程控电源、通用示波器、PC-MBI模块，多串口卡和测试接口适配器组成。测试系统构成见图2所示。

1)系统控制器采用1394接口卡和GPIB卡工控机通过1394接口以透明的方式与VXI测试系统内的总线控制模块进行通信：GPIB接口卡实现对程控电源和示波器的控制，在示波器和程控电源内部嵌入的GPIB控制模块以透明方式完成命令翻译，控制程控电源和示波器的操作。

2)VXI测试系统

在测试系统的设计中VXI总线系统为设计的关键部件，测试系统集成采用了VXI机箱，0槽模块、数字测试子系统和I/O模块。

a.VXI机箱：选择了AGILENT公司生产的13槽C尺寸机箱E8403A。

b.0槽模块：是VXI总线测试系统的控制核心。选取AGILENT公司生产的E8491B模块，包括一个MODID寄存器和一个10MHz时钟源。具有触发功能，可编程8路内部TTL触发信号。

c.数字测试子系统：采用槽C尺寸的SR2510组成，SR2510模块包括了时序和矢量控制、可配96数字I/O通道。本维修平台为测试模块配置64数字I/O通道。

d.I/O模块：采用AGILENT公司生产的E1458A模块，该模块为96通道数字I/O模块，该模块兼容TTL电平(0-5V)和COMS电平。

3)程控电源：AGILENT公司生产E3631A，该电源的技术指标如下：

a.2路电压可调0～+25V/1A;

b.电压可调0～+6V/5A。

4)通用示波器

通用示波器采用TEK公司生产TDS3012系列示波器。该示波器主要技术指标如下：

a.具有双通道;

b. 带宽可达350MHz;

c.采样率可达1.256G;

d.具有GPIB接口。

5)测试接口适配器

测试系统中测试接口设计采用了互联结构。形成对外统一的测试接口(主适配器)，选用VPC公司的VXI互锁接收机，作为信号连接适配器。由于不同被测对象对外连接器各不相同，根据被测对象特征，设计子适配器，这种方式实现了整个测试系统资源的重复利用，提高了测试系统可扩展性和通用性。

6)PC-MBI卡

仿真1553B总线终端，实现与1553B总线模块接口通信和协议测试。

7)多路串口卡

1553B总线模块上CPU开发调试接口或测试接口。

3 故障诊断软件设计

3.1 故障诊断软件平台

故障诊断软件平台包括两类：一类是基于虚拟仪器的软件开发平台和用户操作人机交互接口;另一类是1553B总线模块内部CPU开发环境(186监控系统、CCStudio)，根据CPU采用的芯片类型的不同，采用开发环境不同。CPU为80C186，开发环境为186监控系统;CPU为TMS320F240或TMS320F2812开发环境CCStudio。

虚拟仪器基于LabWhadows/CVI作为软件平台，该平台是美国NI公司开发一款交互式C语言开发平台，该软件功能强大、使用灵活的C语言平台用于数据采集分析和显示测控专业工具有机的结合起来。

3.2 测试软件设计

维修测试平台设计中，测试软件是整个维修测试平台的核心部分，其中TPS(Test Program Set，TPS)设计考虑模块化，标准化，通用化，可方便移植性于同系列其它1553B总线模块使用。同时TPS设计直接影响到测试覆盖的全面性，是否能够对故障点的准确定位。

测试软件主要包括对1553B总线模块通信功能和各个功能单元的测试。

分析1553B总线模块设计性能和功能指标，将1553B总线模块电路分割为最小功能单元电路。由于在1553B总线模块设计中双口存储器(DPRAM)作为子系统主机与模块通信控制器数据交互接口，所以将1553B总线模块功能单元分为四部分，第一部分为模块通信控制器电路测试;第二部分为子系统主机接口电路测试;第三部分为1553B协议接口电路测试;第四部分为复位电路测试，如图3所示。

通信控制器电路测试包括：EPROM功能单元电路测试、RAM功能单元电路测试、CPU控制DPRAM(右口)电路测试，中断控制器，定时器功能电路测试和复位RTC计数器功能电路测试。

子系统主机接口电路测试包括：RTC功能单元电路测试、DPRAM(左口)电路测试。

以上功能单元组成了1553B模块各个故障定位的测试子集。

3.2.1 ERROM测试

将E]PROM内的数据读取进行校验，并将校验值与校验和相比较，一致则ERPOM功能正常。

3.2.2 RAM功能单元测试

采用典型测试数据方法，包括测试数据如下：步进1，0x0000、ox5555，0xaaaa，0xffff和存储器单元写入单元地址值。该测试方法对RAM的存储体进行了充分的测试，同时对RAM的地址总线和数据总线进行了有效的测试，例如总线是否短接或断路。

3.2.3 DPRAM(右口)功能单元测试

采用典型测试数据方法，包括测试数据如下：步进1，0x0000、ox5555，0xaaaa，0xffff和存储器单元写入单元地址值。该测试方法对DPRAM的存储体进行了充分的测试，同时对DPRAM的地址和数据总线进行了有效的测试，例如总线是否短接或断路。

3.2.4 中断控制功能单元测试

通过对开发环境模拟子系统主机中断信号和清主机中断信号，模拟子系统主机的读取中断信号状态，如果与设置一致，则功能正常。

3.2. 5 定时器功能单元测试

测试平台配置示波器采集定时器电路的输出信号，测量定时器输出波形，如果按照预期值输出，定时器功能正常。

3.2.6 复位RTC计数器功能电路测试

通过开发环境访问特定I/O空间单元将RTC清0，然后通过模拟子系统主机访问读取RTC值，如果从0计数，CPU清RTC计数器功能电路工作正常。

3. 2.7 访问RTC功能单元电路测试

模拟子系统主机设置RTC计数器的值，然后读回RTC值，如果RTC值是在设置初始值的基础上进行计数，则模拟子系统主机访问RTC功能单元电路工作正常。

3.2. 8 DPRAM(左口)功能单元测试

采用典型测试数据方法，包括测试数据如下：步进1，0x0000、ox5555，0xaaaa，0xffff和存储器单元写入单元地址值。该测试方法对DPRAM的存储体进行了充分的测试，同时对DPRAM的地址和数据总线进行了有效的测试，例如总线是否短接或断路。

4.基于故障树的故障诊断

4.1 故障模型建立

故障树模型是一个基于被诊断对象结构、特征的行为模型，是一种定性的因果模型，以系统最不希望事件为顶事件，以可能导致顶事件发生的其它事件为中间事件和底事件，并用逻辑门表示事件之间联系的一种倒树状结构。它反映了特征向量与故障向量(故障原因)之间的全部逻辑关系。在故障树分析中，建树是一个关键和基本步骤，建树是否完善将直接影响分析诊断结果的准确性。而建树的关键是要清楚了解所分析的系统功能逻辑关系及故障模式、影响及致命度，建树完善与否直接影响定性分析和定量计算结果是否正确。

4.1.1 原理分析

1553B总线模块设计原理见图4。1553B接口电路与子系统主机通过DPRAM(双口存储器)进行交互，子系统主机不直接控制1553B接口协议芯片，通信控制器(CPU等)读取DPRAM中子系统主机命令字，配置1553B协议芯片工作状态。协议芯片接收到1553B总线命令，通过DMA方式，取得内总线控制权，将接收数据写入DPRAM或将发送数据从DPRAM中读出。

4.1.2 故障树建立

1553B总线模块主要功能实现1553B总线接口数据通信功能，以1553B总线通信故障(数据传输错误，总线不响应故障，主机命令不响应)为例，分析影响1553B总线通信正常主要因素：子系统主机正确设置命令字;通信控制正确执行子系统主机设置命令字;通信控制器正确设置1553B协议处理器;1553B协议处理器DMA方式工作正常;1553B收发器变压器正常产生曼码信号。综合以上故障影响因素构建1553B总线通信故障树。见图5。

4.2 故障诊断实例

根据故障模型，同时依据维修测试平台进行故障检测和故障排除，以维修案例及数据进行统计，依据故障概率大小编制故障排除流程，将故障率高的故障点、首先进行故障排除。现以1553B总线模块修复性维修为例，选用1553B总线模块“未响应子系统主机命令”的故障现象来描述故障隔离步骤。

故障现象为：1553B总线模块初始化时未响应子系统主机命令。

该故障原因主要有两方面：一是子系统主机未正确将主机命令字写入DPRAM存储器;二是通信控制器未正确响应主机命令。

综合多年维修数据分析发生概率较高故障原因多为子系统主机未正确写入命令字，以该原因为例分析引发该故障因素如下：子系统主机访问DPRAM逻辑芯片故障;子系统主机总线驱动芯片故障;子系统主机访问DPRAM信号印制板断线。

5 结束语

本文在对1553B总线模块的系统结构和工作原理进行研究、总结的基础上，设计通用的1553B总线模块维修测试平台，建立故障模型，按照S1000D标准，将故障现象、故障诊断和故障定位方法信息化、形成故障诊断专家库，通过良好的用户交互平台，应用于1553B总线模块故障诊断过程，指导1553B总线模块维修工作，对维修效率提高和维修质量的提高有着积极意义