FC网络模块低温通信故障问题的分析及改进研究.pdf

引用格式:花文波高柯何燕春等.网络模块低温通信故障问题的分析及改进研究.航空计算技术():.():.网络模块低温通信故障问题的分析及改进研究花文波高 柯何燕春花文涛(.航空工业西安航空计算技术研究所陕西 西安.中国空空导弹研究院河南 洛阳)摘 要:为了解决航电系统中 网络模块在低温 条件下出现的通信故障根据模块工作原理及测试方法对故障因素进行分析和测量确定故障原因是由于模块.供电电源滤波电容低温时等效 电阻值偏大导致 网络差分晶振频率输出异常 网络通信报故 通过更换低 值同型钽电容可以彻底解决 网络低温偶发通信故障同时对测试工装进行优化改进将测试设备中产品自环测试方法改为两个模块产品之间的对传测试设计更为合理 实践表明产品在低温条件下能更可靠地进行通信传输测试设备也能有效剔除低温故障关键词:测试故障诊断中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引言 网络以光纤通道作为媒介因其具有高带宽、高实时性、高可靠性、扩展性好、通信速率高、抗干扰能力强、拓扑结构和服务类型灵活、支持多种上层协议和底层传输介质等特性 在机载航电网络系统中应用越来越广泛飞机航电系统中的 网络通信主要是由 标准子卡为各分系统功能模块提供标准的 总线接口通过标准 主机接口与分系统中各功能模块进行耦合从而实现 通信协议处理及与 总线网络的互联和通信功能 在 网络产品实际工程应用过程中经常会遇到的一类故障问题是产品在航电系统中通信故障导致 网络通信中断本文针对 网络产品低温偶发通信中断问题进行原因分收稿日期:修订日期:基金项目:航空科学基金项目资助()作者简介:花文波()男陕西西安人高级工程师硕士第 卷 第 期航 空 计 算 技 术.年 月 .析并对产品进行设计改进通过优化测试工装并进行测试验证彻底解决 网络低温偶发通信故障 网络模块工作原理及测试方法.网络模块工作原理 网络标准模块在飞机航电系统中以 芯片为核心实现 通信协议处理它具有丰富的高速串行/接口、能够满足时间同步、网络管理等功能要求 外围配置存储器电路用以存放逻辑程序 接口电路用以实现网络配置要求对外提供 电接口经光电收发器实现与 网络的数据通信 接口电路用来实现主机接口与主处理模块的耦合通过共享主机非 存储空间建立消息收发缓冲区用 的方式读写缓冲区数据并由 逻辑控制单元实现协议处理和数据收发控制 主机通过调用标准 函数实现设备管理、通信管理、系统管理、网络管理和中断处理功能 网络模块结构如图 所示图 网络模块结构示意图.测试方法 网络模块在用户单位航电系统工作过程中频繁出现低温通信故障因此需要对故障产品进行故障复现 对 网络模块进行静态检查和常温加电检测 网络模块功能测试正常 将 网络模块插入测试工装并借助 网络分析仪 进行 环境试验温度稳定后保温 进行加电检测测试组网见图 所示测试:在 条件下故障稳定复现使用 网络分析仪进行 数据抓包分析发现 网络模块 接口均有误码分析仪上报 端口失同步()网络模块发送的数据有错误测试不通过故障复现图 测试组网图测试:在 条件下将 网络模块的 光信号发送与接收对接使 网络模块的 接口通过光纤自环 使用 公司的 工具对故障设备分别进行环路误码率测试环路无误码 可以确定 网络模块上 的 接口供电、电信号链路无故障通过测试 可知分析仪无法从 接口恢复正确的数据在 网络分析仪上配置 子卡的通信速率为./使用 网络模块与分析仪通信有误码说明 网络模块速率不满足标准./的要求而测试 证明 网络模块自环通信无故障说明 网络模块通过本身的 通信时钟可以进行自环通信因此只能证明模块上 的 接口供电、电信号链路无故障不能证明 通信所依赖的.差分时钟输出频率稳定、无异常 故障分析及测量.故障初步定位通过故障复现及排查可以排除 网络模块 电路故障此外与模块低温通信故障还可能与电源电路、配置 电路、复位电路、时钟电路有关)通过对模块上相关供电电源、.、.、.、进行静态电阻和瞬态电压测量测量结果见表 排除电源电路故障表 电源电路参考与测量值表电 源静态电阻参考值/静态电阻测量值/瞬态电压参考值/瞬时电压测量值/结论 以上.合格.合格.合格.合格 .合格 .合格 .合格 航 空 计 算 技 术 第 卷第 期 )使用 软件对 网络模块 内文件进行校验测试结果正确上电测量逻辑加载指示信号 信号为高电平说明配置 逻辑能正常加载排除配置 电路故障)网络模块上电后用示波器测量系统复位信号和模块内部复位信号二者都为.电平没有毛刺且大于 电平不会导致使 网络模块复位排除复位电路故障综上所述 网络模块低温通信故障定位为 接口时钟异常.接口时钟故障分析及测量 网络模块上 接口时钟.是由差分晶振提供 通信的时钟频率为.外部输入的差分时钟在进入 的 模块后分出来的 参考时钟给 的内部逻辑使用 当输入的差分时钟频率有问题抖动过大会引起模块复位使通信产生误码进一步导致 通信中断 它通常与模块上 接口时钟电路、差分晶振频率输出、接口时钟电路外围阻容故障相关.接口时钟电路故障 接口时钟由 差分晶振提供如图 所示时钟频率为.差分时钟 时使用 公司的 工具读取 接口时钟频率读取值为.说明差分晶振输出频率未发生明显变化 拆除 位磁珠在 靠近差分晶振的焊盘位置飞线使用外部直流电源给差分晶振 提供.电源经过测试对应的 接口无误码测试结果正确排除 接口时钟电路故障和 接口时钟电路外围阻容故障图 接口时钟原理图.差分晶振频率输出故障测量 位磁珠前后端电压测量结果一致排除 位磁珠故障 时测量 位磁珠后端电压纹波纹波值为 恢复常温后 位磁珠后端电压纹波测量值为 因此相较于常温在 环境下 位磁珠后端电压纹波值表现异常 位磁珠的.电压是由电源转换芯片将 电压转换成.电压测试过程中电源转换芯片的 转.功能正常可以排除 转.电源转换电路故障通过清查电源转换芯片设计手册电源转换芯片要求输出的.电容使用低 的钽电容、低 导电聚合物电容或者瓷介质电容手册推荐使用 电容进行滤波通过更换加严筛选后的低等效电阻的同型钽电容 网络模块低温下通信功能恢复正常说明 条件下.电容滤波效果变差使得差分晶振频率输出异常导致网络通信数据传输错误 因此故障定位为.电容滤波电路故障 设计改进.钽电容 对电源纹波的影响理想的电容自身不会有任何能量的损失但在实际制造过程中钽电容各种材料均有电阻且电容的绝缘介质也有损耗这个损耗在外部表现像一个电阻跟一个电容串联在一起这个电阻称为“等效串联电阻”在航空电子领域通常把 作为除容量、耐压值、耐温值之外选用电容器的主要参考因素 值与纹波电压的关系可以用公式 表示 表示纹波电压 表示电容器的 表示电流 由公式可知当 增大时纹波电压也会相应增大片式固体电解质钽电容器主要由阳极钽芯、介质氧化膜、阴极、石墨层、银浆层及模压料外包封等组成 根据片式钽电容器的成分可知其 主要包括 介质氧化膜电阻(介)、阴极 电解质电阻(解)、钽金属电阻(金)以及各材料层间的接触电阻(接触)电容器的 计算公式为:介 解金 接触 在 的测试频率下金和 介可以忽略 因此产品个体间的 差异主要源于 解和 年 月花文波 等:网络模块低温通信故障问题的分析及改进研究 接触片式钽电容器的 解和 接触主要体现在其阴极上 片式钽电容器的阴极 层是通过多次热分解硝酸锰溶液后形成每次浸渍硝酸锰溶液时吸附量的多少、热分解后形成的二氧化锰层的状态等都会对厚度及致密性造成影响所以每批产品的 值都会存在一定的偏差即便是同批次的产品也会存在一定差异 在低温下由于 的电阻率更大且冷缩效应会导致材料接触面积减小因此低温 值相比常温会出现较大的增长.钽电容器 值加严筛选控制方法目前片式钽电容器 值加严筛选控制主要通过常温下使用 测试仪直接对电容 值进行测试测试条件为 低温测试时由于线路电阻率会随温度的降低而增加同时在低温下产品引线与夹具的接触会由于冷缩及结霜的原因导致接触不良因此在不焊接的条件下无法准确测试低温 值 在低温条件下产品低温 值相比常温 值要大经试验验证低温 值一般为常温 值的.倍 因此常用的方法是通过控制产品常温 值.来间接控制低温下 值.但不排除存在极个别产品常温测试合格但低温下 值超过标准要求.元器件选型将模块上原 导电聚合物电容更换为 值较低的其它同制造工艺同型号导电聚合物电容更换后的电容 值通常为几十毫欧(标称值 )对比更换前 钽电容器几百毫欧(标称值/)的 值明显较小并且更换后的新型号钽电容比更换前的钽电容 温度特性更优低温条件下可以有效避免电容滤波效果变差的问题两型钽电容 温度特性图见图 所示图 两型钽电容 温度特性图.测试工装改进从故障分析的过程中可以看出因为原测试工装采用的是自环通信测试当低温条件下模块上 通信时钟发生异常时无法完全暴露模块故障而 网络模块在整机通信过程中是通过与 网络模块外其它主机系统 通信时钟采样模块中的通信数据因此 网络模块自环测试工装存在设计缺陷 为了避免同类问题再次发生剔除故障产品对原测试工装进行改进优化 网络模块工装主要分为 个部分:试验机箱、母板、被测模块转接板、以及配套的电源线缆及 专用线缆 为了提高试验、验收效率单套测试设备每次可以测试 块产品 更改后的测试机箱将单模块自环测试方式更改为两个模块之间的对传测试如图 虚线框中传输所示图 测试机箱更改前后对比 改进后的验证结果通过对 网络模块上.滤波电容 更换为 值更低的其它同型号导电聚合物电容可有效解决模块 条件下因 通信时钟输出晶振纹波异常造成 通信中断或数据传输错误改进后的对传测试工装也能及时发现低温条件下 通信时钟故障问题更能模拟用户航电系统中 网络模块工作过程符合测试原理对现场故障产品同位更换新型更低 的电容后 网络模块低温下通信功能恢复正常使用 分析仪在 条件下测量模块链路数据未发现链路存在误码测量结果见图 所示对生产过程中的多批 网络模块用对传测试工装进行测试验证结果表明对传工装在高低温条件下能有效剔除 通信时钟故障该工装测试方法已在其它 个 课题产品中推广应用(下转第 页)航 空 计 算 技 术 第 卷第 期路网络模型对电路网络进行可靠性建模 利用该方法可以进行不同可靠性水平的器件对电路可靠性的影响分析为元器件的选用及电路的设计提供参考参考文献:.:.:.张小力王勉.防溜车控制系统的微机触发电路设计及可靠性分析.机械工程与自动化():.欧阳城添陈莉莉王曦.高层次时序电路可靠度估计方法研究进展.计算机科学():.:.:.范博.集成电路物理设计过程中复杂网络特征演化.青岛:青岛理工大学.陈勇俊.基于单片机的电梯门故障预警系统的研究及可靠性分析.广州:华南理工大学.王培培.基于复杂网络的 核电路及安全性分析.青岛:青岛理工大学.欧阳丹彤刘伯文刘梦等.结合电路结构基于分块的诊断方法.电子学报():.陈志昂.邻接矩阵下有向复杂网络的能控性研究.青岛:青岛大学.冯海林.网络系统中可靠性问题的研究.西安:西安电子科技大学.李瑞莹党炜.一种新的有源网络可靠性参数及其算法.江苏大学学报(自然科学版)():.:./.张宏财宣浩肖文光.基于 的某星载有效载荷监控系统设计.电子产品世界():.(上接第 页)图 条件下子卡功能正常 结束语对 网络模块产品 条件下偶发通信中断或数据传输错误问题进行原因分析查明了故障原因是由于模块.供电电源滤波电容在 条件下等效 电阻值偏大超出了电源转换芯片要求的滤波等效电阻值导致.电源纹波过大使得差分晶振频率输出异常造成 网络通信数据传输错误 通过更换低 值同型钽电容可以彻底解决 网络低温偶发通信故障为了有效剔除低温条件下同类故障对测试工装进行优化改进将传统的自环测试方法改为两个模块产品之间的对传测试该测试方法更加符合用户航电 网络通信原理并将该测试工装对传测试方法应用于其他同类课题测试工装改进中解决了实际工程应用中的现实问题提高了产品交付质量参考文献:武华邓发俊杨媛媛.基于 的多 子卡测试设备的设计与实现.电子技术数码世界():.刘陈.网络可靠性研究综述.电子技术():.李斌季雷.基于 的可靠传输协议.航空计算技术():.胡辛李红军曹闹昌等.航空电子总线技