飞控计算机CPU 模块典型故障分析

郭华伟 王兆娜/石家庄海山实业发展总公司

CPU 模块是通用计算机的核心模块，担任计算机的任务调度和计算，其故障具有一定的规律性。本文着重介绍其复位故障、自检故障、存储器故障、串口故障及其排除方法，并对故障原因进行了分析。

图1 飞控计算原理结构图

图2 处理器模块结构功能图

1 CPU 模块基本原理

某飞控计算机结构如图1 所示，从中可以看出，处理器模块是整个计算机的核心部件。处理器模块主要完成数据计算、数据存取以及控制各接口模块工作等任务。处理器模块的基本结构及功能单元如图2 所示。

该处理器模块采用Intel8086 微处理器，CPU 的字长为16 位，存储器的寻址空间为1MB，I/O 寻址空间为64kB，可按字节或字处理数据；总线时钟频率为5MHz，一个总线周期至少有四个时钟周期。模块的CPU 配置为最小模式，即所有控制信号都由8086 芯片发出，无需总线控制器进一步译码；时钟发生器8284 为CPU 提 供CLK、RESET、READY 信号。

处理器模块的数据存储器RAM 采用512k×32 的静态存储器芯片，存储容量为2MB，存取时间最大为35ns，插入一个等待周期。FLASH 程序存储器由一片ACT-F128K32N-070P7 构成，采用16 位内存的连接方式，CPU 对FLASH 的读操作设置为“0”等待，即读一次FLASH 可在四个时钟周期内完成，FLASH 用于存储调试程序及用户应用程序，有板外控制和板内控制两种方式。

处理器模块的三个复位源分别为：上电复位，来自MAX791 的RESET#端，当VCC 低于4.65V 时有效；板外复位，来自连接器插座；看门狗复位，来 自MAX791 的WDPO# 端， 当1.6s内WDI 没有变化，WDPO#会产生一个1ms 的低脉冲用于复位整个系统，可通过对特定端口进行写操作清看门狗，也可将INHWDG#置为有效以防止看门狗叫。三个复位源由CPLD 进行译码组合，生成RES#输出至8284，再由8284 生成RESET 信号输出至CPU。

处理器模块的不可屏蔽中断（NMI）仅有一个中断源，即来自板外的ONMI。可屏蔽中断电路由一片8259和一片240 组成，8259 可处理8 级中断，板外输入的8 级中断经上拉后，再经反相器接至8259，中断信号为低电平或是下降沿有效。

处理器模块的定时器由一片8254构成，该定时器的三路输入时钟（CLK0、CLK1、CLK2），门控信号（GAT0、GAT1、GAT2）及三路输出信号（OUT0、OUT1、OUT2）全部引出，门控信号在板内上拉，使三路计时器均处于计数使能状态。

处理器模块的串口电路通常为调试电路，用于调试命令的输入和调试信息的输出，有工作后再查询方式和中断方式两种。该处理器模块由一片SMHK381、一片MAX232 和一片MAX488 组成，在异步查询方式下工作。

处理器模块的并口电路由两片8259、四片245 和一片373 组成。

2 故障原因分析和排除方法

2.1 看门狗电路引起的CPU 系统配套自检报故

对产品加电测试，测试CPU模块时，看门狗报错。

该CPU 模块有单独的看门狗计时器，看门狗计时设置和计时过程由独立于软件操作的硬件来完成，如图3 所示，看门狗的清除由软件完成。该CPU 模块看门狗计时器电路使用MAX791 芯片，看门狗计时周期设计值为70±20ms。测量故障模块的看门狗周期为49ms，低于设计下限，通过测量确认看门狗输入与设置均正常，因此将故障定位至D9（MAX791MJE）芯片。

更换D9 芯片，检测看门狗周期为64ms，通电检查看门狗，测试合格。

2.2 高温70°时CPU 不启动

对产品加电测试，常温正常，高温时CPU 串口无输出。

在产品出现故障时对CPU 模块进行测量，发现其死机时处于读存储器状态。 分 别 对RAM、ROM、FLASH 芯片进行测量，发现CPU 在读ROM 芯片D10（MD27C210-20/B） 后 死 机。对D10 芯片片选信号及其地址线进行测量，发现地址线D17 在高温下的高电平仅为0.7V，正常应为5V，因此确定D10 芯片高温下失效。

更换D10 芯片，通电检查，常温、高低温测试均合格。D10 为DIP 封 装， 芯片与焊接引脚的引线在高温时存在接触不良情况。

2.3 飞控计算机自检显示故障

常温加电测试正常，未发现故障，低温状态下CPU 死机。

低温故障状态下测试发现CPU 模块地址使能信号ADS#无效，对其时钟信号、复位信号、地址线、数据线和控制信号进行测量，输入CPU 的信号均正常。因此，判断D1 芯片33 脚失效。

更换D1 芯片，通电检查，常温、高低温测试均合格。芯片高低温故障通常是芯片内部缺陷所致，造成焊接引脚与芯片引线接触不良。

2.4 CPU 自检时EEPROM READ 报错

CPU自检时EEPROM READ报错。对EEPROM 进行读操作，发现其67fff8与67fff0 地址单元数据错误。

EEPROM 的检查方法是：根据EEPROM 特定单元写入特定的数据，检查写入数据的校验和，校验和正确，则判定EEPROM 测试合格。分析认为，产品工作过程中飞控应用程序也会对EEPROM 进行操作，可能存在地址冲突，导致EEPROM中存储的数据系列出错，使校验和错误，导致EEPROM READ报错。

对EEPROM 的67fff8 与67fff0 地址单元写入正确数据00、01，通电检查，EEPROM READ 测试合格。

该故障是由于EEPROM 未进行初始化而导致校验数据报错。

2.5 串行口故障

飞控计算机装机后，用飞控外场检测仪进行通电调试，发现检测仪无检测数据显示，但用内场检测设备测试该飞控计算机各项性能正常。

图3 看门狗电路

图4 串口电路

该串口电路由一片SMHK381、一片MAX232 和MAX488 组成，如图4所示，分别提供2 路串行接口，用于软件调试和串行通信，串行接口配置为一路RS232 和一路RS422，该串口电路用于调试命令的输入和调试信息的输出，可工作在查询方式或中断方式。

对内外场测试设备的测试差异进行梳理对比，发现内外场测试未使用同一接口，内场测试使用的是KFS-7A 飞控计算机检测专用口CZ3 中的RS232 接口，而机上测试使用的是KFS-7A 飞控计算机CZ1 口中的RS422 接口。

对处理器模块使用的RS422 接口进行测试，发现该CPU 模块RS422 接口3 脚无数据输出，导致外场测试设备与KFS-7A 飞控计算机无法建立通信，外场测试设备测试页面无飞机状态数据显示。更换CPU 板D17 MAX488 RS422接口芯片，故障排除。

由于测试设备生产厂家、制造时间的不同，极易出现外场测试设备与内场测试设备采用不同物理接口的情况，可能因产品接口故障产生完全不同的测试结果。因此，熟悉产品测试接口的工作方式，对于此类故障的排除有很大帮助。

3 结束语

本文介绍了某型飞控计算机CPU处理器模块的基本结构和工作原理，通过列举的典型故障，讲解了CPU 模块各个功能电路的的测试方法和排故思路。以上经验对于其他类型架构处理模块故障的解决也有普遍的借鉴 意义。