一种典型FC和CAN偶发通信故障分析与验证_花文波.pdf
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1、2023.7电脑编程技巧与维护一种典型 FC 和 CAN 偶发通信故障分析与验证花文波1,赵城慷1,赵斌1,花文涛2(1.航空工业西安航空计算技术研究所,西安710000;2.中国空空导弹研究院,河南 洛阳471009)摘要:从机载系统传感器图像到综合处理机的数据传输通信过程中,会偶发短消息指令,经机载光线通道(FC)转控制器局域网(CAN)后无响应,故障复现难度大。为了有效解决这一问题,根据产品工作原理和系统组成,对仿真验证测试系统和整机联试系统的测试覆盖性、特征参数及系统通信过程进行分析和排查,并通过加载测试工具对通信过程进行测量和验证,确定系统在初始化过程中,因上位机 FC 仿真卡没有严
2、格按照光线通道航空环境匿名用户消息协议(FC-AE-ASM)与产品建立可靠的交联通信而导致短消息无响应的偶发故障。实践表明,改进升级后的 FC 仿真卡在工程应用中有效解决了此类偶发的通信故障,提高了整机联试系统通信的可靠性。关键词:机载光线通道(FC);控制器局域网(CAN);通信故障;故障分析;验证1概述FC网络具有传输速率高、抗电磁干扰能力强、传输误码率小于10-12、拓扑结构灵活、易构建大规模分布式网络系统等特点,并支持多种上层协议和底层传输介质,在航空电子系统中已成为新一代先进综合式网络互连的首选方案之一,在F-35、B-1B等系列现役飞机中获得广泛应用13。CAN是一种多主总线系统,
3、通信速率可达1Mbit/40 m,可挂载设备达110个,在通信节点发生严重错误时具有自动关闭功能,抗干扰能力较强且节点可动态改变,差错检测和处理能力强,接口简单易于配置,满足实时性要求,是具有较大前途的现场总线之一45。在实际应用过程中,某接口模块由于同时具备FC和CAN通信功能,在随整机系统产品进行机载通信时,会出现短消息无响应的偶发故障。产品重新上、下电后,故障每23周才会偶发复现一次,在每天第1次上电时出现概率较大。由于故障随机偶发且复现难度大,涉及故障的产品数量较多、影响较大,因此迫切需要有针对性地对其进行排查、分析,根据故障发生的机理给出相应的解决方案,并进行测试验证。2系统组成及工
4、作原理2.1系统组成某接口模块主要用于实现从传感器图像到综合处理机之间的数据传输通信功能,并对内提供CAN互联接口,对外通过FC光接口,实现和综合核心处理机的点对点交联通信。它以现场可编程逻辑门阵列(FPGA)为核心,用以实现数据解析和数据格式转换,同时支持FC-AE-ASM协议和全双工通信,外围由配置电路、CAN总线接口电路、RS232接口电路、存储器电路、时钟电路、复位电路、电源电路、电转换电路组成。2.2工作原理接口模块以FPGA为核心,对外提供1路FC通信接口,同时,提供1路Camlink接收端口和1路CAN总线接口。图像接口(CamLink)电路用于从板间连接器接收4路低压差分信号(
5、LVDS)数据并转换成16位低压晶体管晶体管逻辑(LVTTL)数据传入FPGA的相应处理单元。CAN总线接口接收前端系统中各功能单元反馈的工作状态及数据信息,并将其进行数据格式转换,通过FC接口发送至FC网络,同时对FC网络中的相关数据信息完成数据解析及数据格式转换后,通过CAN总线发送至前端系统内部的各功能单元。FC流数据块消息的发送和CAN总线信息的收发均通过FPGA内部的处理器来控制和实现。3故障测量及排查3.1问题描述接口模块在随整机系统进行功能测试时,会在冷启动上电工作后,偶发短消息故障。二次加电测试时,产品短消息功能工作正常,但在正常使用12周后,会在整机第1次加电时随机偶发故障1
6、次,再次上电时,故障又长时间不复现,接口模块在仿真应用测试环境下,反复在低温-55、常温冷启动条件下加电测试,产品性能、参数一切正常,故障均不复现。3.2故障测量及排查3.2.1测试覆盖率问题测试设备内部的CamLink模块作为图像视频信号激励源,通过接口模块上的CamLink接口芯片,实现对串行高速数据的解码和转换,并接入FPGA中,由逻辑根据配置和预定时序关系完成数据采集,并通过FC接口161DOI:10.16184/prg.2023.07.0132023.7电脑编程技巧与维护转发到测试设备处理器模块,由处理器模块实现数据采集和转换,并将采集的图像数据与激励源发送图像进行比对,当数据不一致
7、时报长消息故障。短消息是由测试设备中的CAN模块作为CAN数据激励源,通过接口模块板间连接器将CAN电信号发送给接口模块CAN功能电路,再经模块上的FPGA进行数据处理后,转换成光信号发送给处理器模块;处理器模块通过光电收发器再将接收到的CAN信号与CAN激励源进行比对,输出结果。测试设备中的处理器模块就是用来模拟用户图像采集设备的,故障产品在试验室仿真测试设备中测试时,为外环测试,非模块自环测试,且串口打印有长短消息,FC功能和CAN功能测试正常,因此接口模块测试方法和测试覆盖率满足要求。3.2.2FC 总线时钟精度和稳定度测试为了排除FC总线时钟精度、稳定度因时钟边界问题而在FC频率匹配时
8、出现误码等情况,对短消息故障的7块产品与好模块进行FC时钟对比测量。从示波器测量结果来看,故障产品FC时钟的频率、稳定性与非故障模块FC时钟测试结果相比无明显差异。3.2.3冷启动的电源纹波测试在用户单位,偶发故障出现在接口模块短消息第一次冷启动或在常温第1次加电时,而不是在低温-55加电时。在模块常温和高低温摸底测试过程中,功能测试一切正常,常温测试模块供电正常,电源纹波也满足设计要求,因此未发现产品存在低温下等效电阻ESR值发生变化导致电源纹波存在超差的问题。3.2.4系统联试排查在试验室仿真环境下,产品短消息偶发故障不复现,因此,需要在整机联试现场进行故障复现和排查,接口模块在整机内的连
9、接关系如图1所示。整机系统的通信过程如下。当整机产品上电后,测试系统会进行600s的上电初始化操作。长消息的发送过程为如下。在整个初始化过程中,探测器会将探测到的图片信息经用户模块产品处理后,转换成Camlink信号,经接口模块板间连接器发给模块上的Camlink协议芯片处理,经FPGA转换处理成光信号后,再通过光纤发给上位机,待初始化完成后,上位机才能进行图像对比测试。短消息收发过程如下。在系统初始化过程中,上位机通过FC测试板卡发送短消息指令,该指令通过光纤通道经接口模块光电收发器发给FPGA进行处理后,通过CAN相关电路发送到CAN总线上;用户控制模块、旋转机构在接收到CAN总线指令后,
10、在原路返回到上位机,完成CAN总线信息的收发操作。为此进行了以下测试。(1)故障复现时,产品初始化未完成,当初始化完成后,设备旋转机构开始正常旋转,在监控界面上通过上位机发送的CAN短消息指令均无回应,示波器测量CAN收发器发送端和接收端均无波形,测量CAN控制器写信号及板间连接器CAN总线信号无波形,通过插拔光纤及软件通断光纤测试,长消息通信正常,短消息故障依旧。这说明发生故障时,模块未收到前端CAN总线上的信息。(2)针对前端仿真卡未发出CAN指令,用分析仪对上位机FC仿真卡进行加载测试,测试连接关系。对现场整机联试时用的3台测试电脑上的FC仿真卡进行测试,测试结果如下。仿真卡1:上位机端
11、口0连加载测试测试时,不能发送短消息,FC(1,1,2)端口无法上线;端口1连加载测试测试时,能上线,不能发短消息,否则软件卡死。仿真卡2:上位机端口0连加载测试测试时,能上线,也能发送短消息;端口1连加载测试测试时,不能上线。仿真卡3:上位机端口0发生故障,不可用;端口1连加载测试测试时,能上线,也能发送短消息,与产品相连时,短消息在分析仪上没有发出来。用户在使用过程中认为好的仿真卡端口为:仿真卡1的两个端口、仿真卡2的端口1、仿真卡3的端口1。结论:整机联试环境中所使用的3台上位机安装的FC仿真卡,经测试均存在故障。4分析验证4.1通信分析使用安科特纳公司提供的Load Testing工具
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