機載1394 總線故障定位方法研究

謝恩陽 蔣江濤/中國飛行試驗研究院

0 引言

飛機機載設備布局采用分布式設計，綜合管理處理機與各子系統設備之間的通信與管理依靠高速串行總線技術實現，在維修保障中，各子系統設備與綜合管理處理機之間的1394 總線通信狀態是日常檢查的重中之重，總線通信故障會直接導致某一子系統處于離線狀態，其工作狀態和各項健康指標不能上傳至健康管理系統，嚴重影響日常飛行進程。飛機傳感器系統眾多，軟件版本更迭頻繁，1394 通信配置軟件需要伴隨飛機平臺升級而進行通信配置軟件升級，1394 通信配置軟件更新的成功與否直接決定著后續各子系統升級工作能否繼續進行。在歷次飛機軟件升級和日常維護保障中，多次發生1394 總線故障導致的升級工作進程滯后，影響飛行計劃的情況。通過對1394 總線協議原理及框架簡析，分析總結機載1394 總線故障，提出改進機載1394總線維護方法，便于后續檢查維護。

1 1394 總線簡介

機載1394B 總線協議是一種高性能半雙工串行總線標準。1995 年，國際電氣和電子工程師協會（IEEE）以FireWire（火線）技術為基礎定義了IEEE 1394—1995 規范[1]，隨后由國際自動機工程師學會（SAE）對1394B 協議進行實時性及可靠性規范約束形成現行的軍用和宇航應用領域1394B 接口標準，簡稱軍用1394B（MIL-1394B）標準。

該標準定義了控制計算機（Control Computer，CC）和遠端節點（Remote Node，RN），控制節點作為總線的根節點，以固定周期發送消息包（Start of Frame，STOF）定義循環開始包來同步總線上所有節點。其他RN 檢測STOF消息包的到達，進行數據的發送和接收。

1.1 1394 總線功能簡介

根據1394 標準配置為控制節點的設備可以實現以下的功能。

a.按照系統定義的周期發送ST0F消息包；

b.可獲取總線網絡的拓撲圖、速率表、網絡節點的狀態；

c.獲得網絡節點的連接狀態；

d.提供自身狀態；

e.提供消息的發送緩沖和接收緩沖；

f.作為循環控制器時，可以發送周期125μs 的循環啟動包。

根據1394 標準配置為RN 設備可以實現以下的功能。

a.監聽STOF 消息，并根據STOF消息更新相關偏移；

b.發送自身連接狀態給控制CC 節點；

c.監聽系統為該節點分配的通道及廣播通道，接收網絡中到該通道的數據包；

d.對不是該通道的數據包進行轉發；

e.提供消息的發送緩沖和接收緩沖。

1394 總線通信示意圖如圖1 所示。

1.2 1394 總線框架

整個飛機系統的核心是一臺綜合管理處理機(IMC/CC)，通過1394 總線連接了超過30 個RN 單元，總線上每個RN 采集機載設備前端的模擬信號和離散量信號，將這些數據處理后，通過1394 總線傳送給綜合管理處理機，同時RN 也執行綜合管理處理機發布的控制指令，RN 為上電控制、離散量采集等子系統提供服務，并作為子系統控制器與子系統執行機構、傳感器、開關等構成多個子系統。機載1394 總線框架如圖2 所示。

圖1 1394B總線通信示意圖

圖2 機載1394總線框架圖

2 綜合管理處理機與機載設備構成的1394 環網拓撲模型

2.1 飛機1394 環網構成

飛機1394環網由多個子系統構成，包括綜合管理處理系統（CC 節點）、顯控系統（RN 節點）、導航系統（RN節點）、通信系統（RN 節點）等，各子系統設備分布在機上不同位置，RN節點設備通過1394 總線與CC 節點綜合管理處理機進行通信并響應執行命令，綜合管理處理機與各子系統設備構成1394 總線環網。

2.2 飛機1394 環網拓撲模型

機載設備通過總線連接形成1394總線環網，將其分布狀態整理優化形成總線拓撲模型，更加直觀和接近總線配置終端的管理狀態。飛機1394 環網拓撲模型如圖3 所示。

3 1394 環網設備通信配置軟件升級失敗原因分析

1394 通信配置升級中出現的故障分為三大類。第一類為1394 通信配置加載設備軟件與機上1394 通信配置軟件版本不一致；第二類為1394 配置加載設備與機載總線通信電纜阻抗不匹配；第三類為機載設備CC 節點或RN 節點的1394 子卡通信故障。

1)通信配置加載設備與機上1394設備軟件版本不符合

在飛機進行大規模軟件升級時，需對全機1394 總線CC/RN 節點進行總線通信配置升級，在進行總線通信配置升級時經常出現配置升級失敗或個別終端節點無響應的情況，甚至出現機載設備終端1394 子卡故障掉線，需調整機載設備1394 子卡的情況。通過檢查分析發現，升級終端設備的1394 通信配置軟件與機上現有的1394 通信配置軟件版本不一致，誤碼率較高導致地面升級終端設備與機上CC/RN 節點設備通信異常[2]，系統判斷CC/RN 節點掉線，無法進行升級數據包的傳輸。

2)配置加載設備與機載總線通信電纜阻抗不匹配

總線配置加載設備與機上進行連接的總線通信電纜也存在差分阻抗過大無法與機載CC/RN 節點通信的問題。通過對不同批次機型進行交叉驗證發現，差分阻抗過大的電纜與后期批次的飛機進行連接時可正常通信，與較早批次通信時會出現連接失敗、無響應等情況。通過對通信電纜批次進行查詢發現，該通信電纜為后期制造電纜，其差分阻抗與后續批次飛機的CC/RN 節點阻抗匹配度較高。判斷為該電纜不適用于早期批次的飛機，后續在進行1394 通信配置升級時根據升級飛機的具體批次，選擇與該批次飛機阻抗匹配的通信電纜。

3) 機 載 設 備CC 節 點 或RN 節 點1394 子卡通信故障

圖3 飛機1394環網拓撲模型

機載設備分布在飛機的各個部位，其長時間受振動及高溫影響會出現設備內1394 總線通信子卡損壞、虛接等成品質量問題，機載成品內1394 通信子卡問題會導致機載設備無法與核心處理單元IMC 進行通信，設備無法正常上線工作的情況，在1394 通信配置升級中則表現為遠端節點RN 不上線，任務1394 環網不通導致通信配置升級失敗，環網不通時需進行機載成品故障排查與隔離工作，成品1394 子卡通信故障解決后需重新對整個環網設備進行數據燒寫，此前燒寫成功的機載設備通信配置需要重新覆蓋，此過程嚴重影響飛機平臺升級工作的推進。

以上三條故障會導致通信配置加載設備與機載1394 環網設備無法建立通信或通信配置軟件進行加載時中途燒寫失敗。1394 通信配置軟件升級失敗會直接影響1394 總線環網上的機載設備能否進行下一步的機載成品升級。

中途出現配置軟件燒寫失敗還會導致整機或機載設備上電狀態異常，1394環網上連接的機載成品無法上報設備狀態、軟件版本、校準參數等信息，同時飛機系統操作界面也會出現操作畫面異常。

4 總線通信典型故障分析

1)機載設備間1394 總線電纜故障

在飛機進行通電檢查時，綜合告警上報顯控總線通信故障，顯示器無法正常顯示飛機消耗品參數，對顯示管理處理機和顯示器進行離位檢查，顯示管理處理機和顯示器工作正常，裝機后故障現象依舊，隨后對通信電纜進行重點檢查，發現飛行管理計算機與顯示管理處理機的1394 總線電纜在設備艙中與飛機隔框有磨損，導致總線電纜破裂，電纜與機體搭接造成總線通信故障。

總線電纜故障一直是各型飛機經常出現的通信類故障，由于電纜的長時間磨損或老化導致屏蔽層開裂，線芯斷路、短路的情況。其故障位置隱蔽，難以查找，常誤導排故人員進行機載成品串換件隔離故障，工作量大，風險較高。且發現電纜故障后，更換電纜困難，個別電纜所在位置狹小，而且多次穿艙，更換故障電纜需要飛機停飛并拆除大量機載設備成品。

2)機載設備內部功能電路與1394子卡通信故障

飛機進行試車時，發動機大狀態下綜合告警信息閃爍航姿系統通信斷，慢車狀態下恢復正常，靜態通電檢查各項功能均正常，對航姿設備進行離位檢查，在振動和沖擊試驗中發現在大振動狀態下，1394 通信狀態異常，隨后對該設備進行拆解發現1394 通信子卡與設備功能電路板的電連接器處有松動跡象，更換電連接器后在振動試驗中通信正常，裝機試車檢查航姿設備工作恢復正常。

機載設備內部大部分功能電路為集成電路模塊，元器件密集，電路集成度較高，設備功能電路與1394 子卡一般通過插槽式電連接器進行插接。隨著飛機飛行小時的增加，1394 子卡電連接器受沖擊和振動影響會出現松動。在功能電路中存在1394 子卡供電的電路，供電電路的容性器件老化和連接器松動會造成1394 子卡供電或通信異常，綜合管理處理機（CC 節點）檢測到通信異常會上報設備通信故障，并形成告警信息傳遞至人機交互界面。

5 1394 總線維護要點

針對1394 總線通信配置升級失敗和總線通信故障對飛行計劃產生的滯后影響，結合具體原因分析，應從以下方面進行預防和改進。

1)在后續的飛機平臺1394 通信配置軟件升級前，提前確認好軟件配置加載設備與機上設備通信軟件版本是否一致，及時協調版本匹配的加載設備。

2)確認飛機批次及通信電纜批次，確保飛機與電纜的差分阻抗能正常匹配。

3)在升級工作開始前使用1394 環網檢測設備對機上各1394 節點設備間進行通信檢查，確保機載1394 環網設備的通信子卡工作正常，環網設備構成環網功能正常。

4)在日常工作中加強對機載1394總線電纜的檢查，結合飛機周期性工作對其設備端插頭、電纜穿艙連接處重點進行檢查。確保機載1394 通信電纜狀態良好無磨損或斷裂情況。

通過上述措施可避免后期飛機平臺大升級時因1394 通信配置加載失敗的原因導致全機無法上電，或影響任務系統、機電系統機載成品的后續升級。

6 總結

通過飛機平臺軟件升級和總線通信故障排故工作，逐漸摸清機載設備1394環網拓撲情況，對機載1394 總線協議進行分析，并結合實際工作，建立機載1394 環網拓撲模型?？偨Y配置軟件升級失敗的原因和總線通信故障，提出相應的維護檢查方法，為后續1394 通信配置軟件升級或日常維護工作提供檢查和排故參考，提高裝備保障能力。