舰炮火控设备板级故障快速分析定位方法

颜世刚

(92941部队94分队 葫芦岛 125001)

舰炮火控设备板级故障快速分析定位方法

颜世刚

(92941部队94分队 葫芦岛 125001)

结合某新型舰炮武器试验中故障排除实际经验,针对装备故障定位分析,提出了板级故障树分析法;对其中涉及的基本概念、方法步骤等方面进行了介绍。通过装备的故障实例,对板级故障分析法的应用进行了详细阐述;实践证明板级故障树分析法对装备各类软硬故障定位分析有很高的实用性和推广价值。

故障; 板级; 故障树; 事件

Class Number TJ391

1 引言

随着新型武器装备技术快速发展,装备的复杂度、集成度越来越高,装备功能模块化,模块集成板级化,单块板子能实现多种复杂功能。武器装备在出现故障时,对于故障板子如何通过正确有效的方法分析模块故障,定位故障点,这在战场快速维修中至关重要;迅速定位故障点,是快速修复武器装备的关键,而科学合理的故障分析方法是快速故障定位的基础和前提[1]。一种科学合理能够快速定位故障的分析方法,其一能够缩短故障修复时间,快速恢复装备状态,保证作战任务的完成,其二提高设备故障维修效率,节省相关经费。本文根据在多型舰炮武器系统试验中排除故障的实际经验,总结出一套行之有效的板级故障定位分析方法,对于各类装备板级故障的快速定位修复,具有很强的实用性和指导意义。

2 板级故障分析定位方法的基本思路

板级故障定位分析方法的理论基础是故障树,通过建立板级故障树,并对故障树的每一个事件按照故障树的逻辑关系展开具体分析;依据板级电路功能和电路逻辑关系,分析故障树事件的组成,定义故障树的顶事件和底事件,分析硬件电路的逻辑,建立板级树状逻辑关系故障图,按照板级故障树的层次逻辑定性和定量分析排除故障,称之为板级故障树分析法。

2.1 板级故障树分析法的基本概念

故障树分析方法是一种安全可靠的分析技术,也是目前故障诊断中应用较多的方法之一,它建立在对故障经验库基础上,采用逆向推理,将系统级的故障现象(顶事件)与最基本的故障原因(底事件)之间的内在关系表示成树形的网络图,各层事件之间通过“与”、“或”“非”、“异或”等逻辑关系相关联[2,5,8]。板级故障树分析法通常把故障状态称为顶事件,然后找出系统故障和导致系统故障的诸原因之间的逻辑关系。并将这些逻辑关系用逻辑符号表示出来,由上而下逐层分解,直到不能分解为止,推导出各故障和各单元故障之间的逻辑关系,利用这种逻辑关系从顶层事件故障出发,逐渐向下演绎,最终找出对应的底层故障原因。

2.2 板级故障树建立的基本步骤

1) 确定顶事件。顶事件是指定进行逻辑分析的故障事件,一般为故障现象。

2) 分析顶事件。寻找引起顶事件发生的直接、必要和充分原因。将顶事件作为输出事件,将所有直接原因作为输入事件,也称底事件,并根据这些事件实际的逻辑关系用适当的逻辑门相联系,并按板子硬件电路功能逻辑进行分析。

3) 分析每一个与顶事件直接相联系的底事件。如果该事件还能进一步分解,则将其作用下一级的输出事件,如同步骤2)中对顶事件那样进行处理,底事件单元确定要尽量按照板子中相对独立的硬件电路功能来划分。

4) 重复上述步骤,逐级向下分解,直到所有的输入事件不能再分解或不必要再分解为止,即建成了一棵故障树。

5) 分析排查每一个底事件,找出故障的底事件,分析底事件,也就是分析一个个缩小简单的硬件电路功能单元,看是否能实现其正常的功能。

3 板级故障树分析方法的应用

3.1 故障现象

在某型舰炮武器系统试验中,火控设备的射击指挥台任务计算机多次出现死机现象:应用程序停滞,与外部通信停止,外接操控设备无响应,多次死机之后该计算机无视频信号输出,无启动提示音,不能正常启动。经分析确认,该计算机的CM主板故障。

3.2 故障主板功能及上电过程分析

CM主板为单板加固计算机模块,主要功能包括处理器子系统、存储子系统、显示子系统、I/O接口子系统和总线接口子系统。通过分析CM主板电路逻辑[3],得出其上电启动过程原理如图1所示。

图1 CM主板上电启动过程原理框图

上电后,+5V电压监控芯片输出PWRGOOD高电平信号;1.5V_PWRGD和PWRGOOD信号经过与门后,输出ICH1.5V_PGD高电平信号;PWRGOOD信号启动南北桥电压转换电路。南北桥电压转换电路输出电压VCCP_PWRGD及VCC_GMCH_PWRGD,这两个信号经过与门后输出IMVP_PG高电平信号;IMVP_PG和ICH1.5V_PGD信号经过与门后,输出ALL_PWRGD_OK高电平信号;ALL_PWRGD_OK信号通过与门输出PWRGD_OK高电平信号;处理器核心电压转换电路检测到IMVP_PG及PWRGD_OK信号为高电平后,启动CPU核心电压转换电路;ICH7M检测到CPU_VR_PWRGD和PWRGD_OK信号都为高电平后,发出H_PWRGD高电平信号给处理器,并发出PLT_RST低电平脉冲;PLT_RST低电平脉冲信号复位并初始化BIOS、网络控制芯片、PCI桥接芯片、IDE、U7等;U7收到PLT_RST脉冲信号后,发出H_CPURST#,复位CPU;ICH7M发出PLT_RST低电平脉冲后,发出H_INIT低电平脉冲给BIOS芯片和CPU,CPU收到该信号后,执行BIOS内容。

3.3 板级故障树的建立

通过对CM主板进行初步故障测试分析以及上电过程分析,先确定顶事件,把故障现象定为顶事件,即:主板上电无法启动,根据故障现象、主板功能、板子上电分析和1.2故障树建立的基本方法步骤分析,划分底事件,建立故障树,如图2CM板上电不能启动故障树所示。

图2 CM板上电不能启动故障树

故障树中顶事件为:D:主板上电无法启动。

底事件包括:D1:BIOS程序故障;D2:时钟信号故障;D3:电源故障;D4:主要控制信号故障;D5:外围器件故障;D6:北桥芯片U7故障。

3.4 故障树事件排查分析

3.4.1 排查D1 BIOS程序故障

BIOS程序烧写错误或BIOS芯片损坏会导致主板上电无法正常启动。将功能确认正常的已烧写BIOS程序的芯片安装到故障板卡上,主板上电无法启动,故障未消除;将故障板上的BIOS芯片安装到功能确认正常的板卡上,主板上电正常启动。通过将故障板和正常板卡上的BIOS芯片对调试验,可以确认故障板上的BIOS芯片及程序良好,除底事件D1。

3.4.2 排查D2时钟信号故障

板上的时钟信号故障会造成板上主要芯片无法正常工作,最终导致主板无法正常启动。给板上芯片提供时钟信号的晶体及芯片有:Y3,OSC1,Y1;板卡上电后,用示波器对各时钟信号进行测量,Y3的频率为33MHz,Y1的频率为14.3MHz,,OSC1的频率为27MHz。经过检测对比,上述时钟信号波形与正常主板相应波形完全一致,满足芯片工作对时钟信号的要求,因此上述时钟信号波形正常,排除底事件D2。

3.4.3 排查D3电源故障

电源是向芯片及其他电子部件提供电能的装置,当板上某个电压出现故障时,个别芯片无法正常工作,也会导致主板上电无法启动。CM主板上的电压有:12V,5V,3.3V,1.8V_DDR2,0.9VS,VCC_GMCH_CORE,2.5VS,1.05VS,VCC_CORE,1.5VSB,M22_2.5V,M22_1.8V,VDDC_CT,VCC3.3V等,通过万用表对板上各电压进行测量发现,测量电压2.5VS时为0V,而非正常的2.5V,其他电压测量为正常,因此对2.5VS电压进行对地阻抗测量,发现2.5VS对GND短路。通过对板上供电电压进行测量,确认电源故障是导致主板无法启动的一个原因,底事件D3电源故障是导致主板无法启动的一个原因。

3.4.4 排查D5外围器件故障

由D3底事件得知,板上2.5VS对GND短路,2.5VS主要给北桥U7供电,北桥芯片无法正常工作导致主板上电无法正常启动。2.5VS由电源芯片U40(ISL6537)产生的,相关电路图见图3所示。

为了确认具体故障点,将Q21去掉,用万用表测量Q21前后两端发现,电源芯片U40端短路故障消失,北桥一端短路故障仍然存在,所以将故障范围确定在北桥和北桥外围器件(电容)上。板上电源2.5VS的去耦电容包括C261、BC141、BC160、C359,C107、C686、BC153、C343,将所有关联电容去掉后,短路故障未消除,排除此底事件D5。

3.4.5 排查D6北桥芯片U7故障

在排除底事件D5后,造成2.5VS对GND短路的故障点暂时确认为北桥芯片U7故障。北桥芯片U7提供处理器的64位前端总线,集成内存控制器,提供×16 PCi-Express总线(用于扩展独立显示芯片),北桥芯片负责与CPU的联系并控制内存和显示数据。将北桥芯片U7焊下后,用万用表测量故障板上2.5VS和GND两端,结果短路故障消失,更换新的北桥芯片U7之后此主板可以正常启动,底事件D6北桥芯片U7故障是造成主板无法正常启动的原因。

图3 2.5VS电压相关电路图

3.4.6 排查D4主要控制信号故障

在排查底事件D3时得知,板上电压存在故障,在电压存在故障的前提下无法对板上主要控制信号进行测量分析。更换新的北桥芯片U7之后对主要控制信号进行相关测量,各信号皆正常,由此可真正排除底事件D4。

3.5 故障定位及解决措施

根据上述分析排查可得出北桥芯片U7故障是造成主板无法正常启动的原因,将故障板上的U7更换后主板可以正常启动。

4 结语

板级故障树分析法通过清晰的故障树图形,直观地列出功能板内各模块的内在的联系,并指出内部电路之间发生故障的逻辑联系,因此容易找出系统的薄弱环节[9～10]。板级故障树分析的过程也是一个对装备硬件结构原理更深入认识的过程。通过板级故障树,使维修人员能够清晰把握装备功能实现的内在联系以及板级电路的逻辑原理,弄清各种潜在因素对故障发生影响的途径和程度,在分析过程中便能发现问题,及时加以解决。它不仅分析了现有的问题,而且提出了解决办法和改进措施,从而增加了使用维修人员对装备的原理、结构、硬件逻辑等认识的深度。

故障分析中要考虑诸多因素,板级故障树分析法都能考虑进去,它不限于对装备故障进行一般性分析,而是分析装备的各种故障状态、板级硬件电路的逻辑关系。故障树建成后,对其他使用维修人员来说有了一个内容丰富、逻辑严密、形象快捷的维修指南。装备板级故障树分析方法,对于快速定位分析装备板级故障提供了一个很好的思路,对于各类装备中弱电路类故障排除具有极强的借鉴意义和推广价值。

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Fast Location Method of Board Level Fault of Shipborne Gun Fire Control Unit

YAN Shigang

(Unit 94, No. 92941 Troop of PLA, Huludao 125001)

For equipment failure analysis and location, the paper combined the practical experience of trouble shooting in a new shipborne gun weapon system test, proposed the analytical method of board level fault tree. In the paper, some basic concepts, method and steps were introduced. Combined with a example of equipment failure, the paper discussed the application of the analytical method of board leve fault tree in detail. Practical results indicated that the analytical method of board leve fault tree had better practicability and value popularization.

fault, board level, fault tree, event

2016年8月1日,

2016年9月23日

颜世刚,男,硕士研究生,高级工程师,研究方向:武器系统试验鉴定与仿真。

TJ391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.026