机载1394 总线故障定位方法研究

谢恩阳 蒋江涛/中国飞行试验研究院

0 引言

飞机机载设备布局采用分布式设计，综合管理处理机与各子系统设备之间的通信与管理依靠高速串行总线技术实现，在维修保障中，各子系统设备与综合管理处理机之间的1394 总线通信状态是日常检查的重中之重，总线通信故障会直接导致某一子系统处于离线状态，其工作状态和各项健康指标不能上传至健康管理系统，严重影响日常飞行进程。飞机传感器系统众多，软件版本更迭频繁，1394 通信配置软件需要伴随飞机平台升级而进行通信配置软件升级，1394 通信配置软件更新的成功与否直接决定着后续各子系统升级工作能否继续进行。在历次飞机软件升级和日常维护保障中，多次发生1394 总线故障导致的升级工作进程滞后，影响飞行计划的情况。通过对1394 总线协议原理及框架简析，分析总结机载1394 总线故障，提出改进机载1394总线维护方法，便于后续检查维护。

1 1394 总线简介

机载1394B 总线协议是一种高性能半双工串行总线标准。1995 年，国际电气和电子工程师协会（IEEE）以FireWire（火线）技术为基础定义了IEEE 1394—1995 规范[1]，随后由国际自动机工程师学会（SAE）对1394B 协议进行实时性及可靠性规范约束形成现行的军用和宇航应用领域1394B 接口标准，简称军用1394B（MIL-1394B）标准。

该标准定义了控制计算机（Control Computer，CC）和远端节点（Remote Node，RN），控制节点作为总线的根节点，以固定周期发送消息包（Start of Frame，STOF）定义循环开始包来同步总线上所有节点。其他RN 检测STOF消息包的到达，进行数据的发送和接收。

1.1 1394 总线功能简介

根据1394 标准配置为控制节点的设备可以实现以下的功能。

a.按照系统定义的周期发送ST0F消息包；

b.可获取总线网络的拓扑图、速率表、网络节点的状态；

c.获得网络节点的连接状态；

d.提供自身状态；

e.提供消息的发送缓冲和接收缓冲；

f.作为循环控制器时，可以发送周期125μs 的循环启动包。

根据1394 标准配置为RN 设备可以实现以下的功能。

a.监听STOF 消息，并根据STOF消息更新相关偏移；

b.发送自身连接状态给控制CC 节点；

c.监听系统为该节点分配的通道及广播通道，接收网络中到该通道的数据包；

d.对不是该通道的数据包进行转发；

e.提供消息的发送缓冲和接收缓冲。

1394 总线通信示意图如图1 所示。

1.2 1394 总线框架

整个飞机系统的核心是一台综合管理处理机(IMC/CC)，通过1394 总线连接了超过30 个RN 单元，总线上每个RN 采集机载设备前端的模拟信号和离散量信号，将这些数据处理后，通过1394 总线传送给综合管理处理机，同时RN 也执行综合管理处理机发布的控制指令，RN 为上电控制、离散量采集等子系统提供服务，并作为子系统控制器与子系统执行机构、传感器、开关等构成多个子系统。机载1394 总线框架如图2 所示。

图1 1394B总线通信示意图

图2 机载1394总线框架图

2 综合管理处理机与机载设备构成的1394 环网拓扑模型

2.1 飞机1394 环网构成

飞机1394环网由多个子系统构成，包括综合管理处理系统（CC 节点）、显控系统（RN 节点）、导航系统（RN节点）、通信系统（RN 节点）等，各子系统设备分布在机上不同位置，RN节点设备通过1394 总线与CC 节点综合管理处理机进行通信并响应执行命令，综合管理处理机与各子系统设备构成1394 总线环网。

2.2 飞机1394 环网拓扑模型

机载设备通过总线连接形成1394总线环网，将其分布状态整理优化形成总线拓扑模型，更加直观和接近总线配置终端的管理状态。飞机1394 环网拓扑模型如图3 所示。

3 1394 环网设备通信配置软件升级失败原因分析

1394 通信配置升级中出现的故障分为三大类。第一类为1394 通信配置加载设备软件与机上1394 通信配置软件版本不一致；第二类为1394 配置加载设备与机载总线通信电缆阻抗不匹配；第三类为机载设备CC 节点或RN 节点的1394 子卡通信故障。

1)通信配置加载设备与机上1394设备软件版本不符合

在飞机进行大规模软件升级时，需对全机1394 总线CC/RN 节点进行总线通信配置升级，在进行总线通信配置升级时经常出现配置升级失败或个别终端节点无响应的情况，甚至出现机载设备终端1394 子卡故障掉线，需调整机载设备1394 子卡的情况。通过检查分析发现，升级终端设备的1394 通信配置软件与机上现有的1394 通信配置软件版本不一致，误码率较高导致地面升级终端设备与机上CC/RN 节点设备通信异常[2]，系统判断CC/RN 节点掉线，无法进行升级数据包的传输。

2)配置加载设备与机载总线通信电缆阻抗不匹配

总线配置加载设备与机上进行连接的总线通信电缆也存在差分阻抗过大无法与机载CC/RN 节点通信的问题。通过对不同批次机型进行交叉验证发现，差分阻抗过大的电缆与后期批次的飞机进行连接时可正常通信，与较早批次通信时会出现连接失败、无响应等情况。通过对通信电缆批次进行查询发现，该通信电缆为后期制造电缆，其差分阻抗与后续批次飞机的CC/RN 节点阻抗匹配度较高。判断为该电缆不适用于早期批次的飞机，后续在进行1394 通信配置升级时根据升级飞机的具体批次，选择与该批次飞机阻抗匹配的通信电缆。

3) 机 载 设 备CC 节 点 或RN 节 点1394 子卡通信故障

图3 飞机1394环网拓扑模型

机载设备分布在飞机的各个部位，其长时间受振动及高温影响会出现设备内1394 总线通信子卡损坏、虚接等成品质量问题，机载成品内1394 通信子卡问题会导致机载设备无法与核心处理单元IMC 进行通信，设备无法正常上线工作的情况，在1394 通信配置升级中则表现为远端节点RN 不上线，任务1394 环网不通导致通信配置升级失败，环网不通时需进行机载成品故障排查与隔离工作，成品1394 子卡通信故障解决后需重新对整个环网设备进行数据烧写，此前烧写成功的机载设备通信配置需要重新覆盖，此过程严重影响飞机平台升级工作的推进。

以上三条故障会导致通信配置加载设备与机载1394 环网设备无法建立通信或通信配置软件进行加载时中途烧写失败。1394 通信配置软件升级失败会直接影响1394 总线环网上的机载设备能否进行下一步的机载成品升级。

中途出现配置软件烧写失败还会导致整机或机载设备上电状态异常，1394环网上连接的机载成品无法上报设备状态、软件版本、校准参数等信息，同时飞机系统操作界面也会出现操作画面异常。

4 总线通信典型故障分析

1)机载设备间1394 总线电缆故障

在飞机进行通电检查时，综合告警上报显控总线通信故障，显示器无法正常显示飞机消耗品参数，对显示管理处理机和显示器进行离位检查，显示管理处理机和显示器工作正常，装机后故障现象依旧，随后对通信电缆进行重点检查，发现飞行管理计算机与显示管理处理机的1394 总线电缆在设备舱中与飞机隔框有磨损，导致总线电缆破裂，电缆与机体搭接造成总线通信故障。

总线电缆故障一直是各型飞机经常出现的通信类故障，由于电缆的长时间磨损或老化导致屏蔽层开裂，线芯断路、短路的情况。其故障位置隐蔽，难以查找，常误导排故人员进行机载成品串换件隔离故障，工作量大，风险较高。且发现电缆故障后，更换电缆困难，个别电缆所在位置狭小，而且多次穿舱，更换故障电缆需要飞机停飞并拆除大量机载设备成品。

2)机载设备内部功能电路与1394子卡通信故障

飞机进行试车时，发动机大状态下综合告警信息闪烁航姿系统通信断，慢车状态下恢复正常，静态通电检查各项功能均正常，对航姿设备进行离位检查，在振动和冲击试验中发现在大振动状态下，1394 通信状态异常，随后对该设备进行拆解发现1394 通信子卡与设备功能电路板的电连接器处有松动迹象，更换电连接器后在振动试验中通信正常，装机试车检查航姿设备工作恢复正常。

机载设备内部大部分功能电路为集成电路模块，元器件密集，电路集成度较高，设备功能电路与1394 子卡一般通过插槽式电连接器进行插接。随着飞机飞行小时的增加，1394 子卡电连接器受冲击和振动影响会出现松动。在功能电路中存在1394 子卡供电的电路，供电电路的容性器件老化和连接器松动会造成1394 子卡供电或通信异常，综合管理处理机（CC 节点）检测到通信异常会上报设备通信故障，并形成告警信息传递至人机交互界面。

5 1394 总线维护要点

针对1394 总线通信配置升级失败和总线通信故障对飞行计划产生的滞后影响，结合具体原因分析，应从以下方面进行预防和改进。

1)在后续的飞机平台1394 通信配置软件升级前，提前确认好软件配置加载设备与机上设备通信软件版本是否一致，及时协调版本匹配的加载设备。

2)确认飞机批次及通信电缆批次，确保飞机与电缆的差分阻抗能正常匹配。

3)在升级工作开始前使用1394 环网检测设备对机上各1394 节点设备间进行通信检查，确保机载1394 环网设备的通信子卡工作正常，环网设备构成环网功能正常。

4)在日常工作中加强对机载1394总线电缆的检查，结合飞机周期性工作对其设备端插头、电缆穿舱连接处重点进行检查。确保机载1394 通信电缆状态良好无磨损或断裂情况。

通过上述措施可避免后期飞机平台大升级时因1394 通信配置加载失败的原因导致全机无法上电，或影响任务系统、机电系统机载成品的后续升级。

6 总结

通过飞机平台软件升级和总线通信故障排故工作，逐渐摸清机载设备1394环网拓扑情况，对机载1394 总线协议进行分析，并结合实际工作，建立机载1394 环网拓扑模型。总结配置软件升级失败的原因和总线通信故障，提出相应的维护检查方法，为后续1394 通信配置软件升级或日常维护工作提供检查和排故参考，提高装备保障能力。