一种机载机电系统语音告警故障分析与检测

关键词：机电系统；语音告警；机电管理计算机；故障分析

机电管理计算机（ＵＭＣ）用于飞机机电系统控制和管理。机电系统根据机电管理计算机采集到的机电设备的故障状态信息，进行相应的语音告警提示，以提醒飞行员注意机电设备故障和飞行安全。但实际上，机电管理计算机故障后，会错误的采集机电设备信息，在机电设备正常的情况下发出语音误报警，以至于飞行中断［１］。

本文主要针对机电系统语音播报“整流装置故障”等故障信息，进行故障机理分析，判断机电管理计算机是否误采集导致语音告警。对机电管理计算机误采集信息后进行进一步的故障树分析，故障定位，提出解决办法。为之后机电管理计算机的设计研制提供指导依据。

按照设计要求，机电管理计算机采集到接触器１状态、接触器２状态、接触器３状态（地／开输入）均为“开”时、判整流装置故障语音告警。在３个整流装置故障的情况下，直流转应急状态。机电管理计算机输出控制断开直流主汇流条和直流应急汇流条的连接、接通左右直流应急汇流条。

３个整流装置故障，机电管理计算机进行直流转应急控制［２］。机电管理计算机与接触器交联示意图见图１。机电系统判断到接触器１状态、接触器２状态、接触器３状态为断开，按照控制逻辑断开直流应急接触器１即切断左直流主汇流条与左应急汇流条的连接、断开直流应急接触器３即切断右直流主汇流条与右应急汇流条的连接。显示器均挂在主汇流条上，此时语音报“整流装置故障”。

飞机上机电管理计算机采取双余度设计，分别由ＵＭＣ１和ＵＭＣ２两个机位组成，且两者架构一致［２］。

机电管理计算机判断接触器状态机理为：接触器１、接触器２、接触器３状态指示信号为双余度离散量输入，双余度离散量输入采用一致比较法。当ＵＭＣ１采样的离散量数据与ＵＭＣ２采样的离散量数据比较一致时，表决值取采样值；如果比较不一致，则表决值使用上一周期的表决结果进行控制律计算，同时设置该路输入离散量互比不一致故障标记。当连续发生故障次数达到时延时，设置输入离散量互比不一致故障标记［３］。

双余度离散量输入分别进入ＵＭＣ１和ＵＭＣ２，经交叉传输后每个ＵＭＣ节点获得２个信号。根据ＵＭＣ１和ＵＭＣ２的ＢＩＴ的结果，机电管理计算机进行不同的取值，见表１。

１）总线数据

通过查看机电管理计算机上传数据记录系统的总线信息，ＵＭＣ１采集的整流装置接触器状态接触器１、接触器２、接触器３为断开，ＵＭＣ２采集的接触器状态均为接通；３台整流装置输出电流正常。

总线解析数据中发现报出“ＵＭＣ２＿接口板故障”故障码。

根据报故逻辑及数据分析，机电系统语音报“整流装置故障”是由于机电管理计算机采集到接触器１、接触器２、接触器３、满足机电系统控制逻辑而发出告警信息。

２）故障复现

检查机上ＵＭＣ相关线路连接可靠性，发现ＵＭＣ１搭铁线与机体结构相连的螺钉松动，固定不牢靠，导致接地不良。当机箱搭铁线不能良好接地，等效图为图２。其中Ｃ为机箱内部耦合电容，ＲＬ为负载对地等效电阻。

当搭铁线与大地良好连接时，干扰信号会通过低阻抗通路（１号线）将干扰泄放。

当搭铁线未良好接地时，即｜Ｒ＋ｊωＬ｜＞｜ＲＬ＋１／ｊωＣ｜，干扰电压会进入电路中（２号线），影响电路正常工作。

●将ＵＭＣ１搭铁线拧紧，给飞机上电，查看显示器中机电管理分系统故障码，看到报“ＵＭＣ１＿接口板故障”，约３ｍｉｎ后，显示器显示“无信号”，显示器掉电，语音报“整流装置故障”，给飞机下电；串口显示见图３。

●将ＵＭＣ１、ＵＭＣ２对调，在机上ＵＭＣ２侧（故障件）加串口监控，给飞机上电，约３ｍｉｎ后，显示器显示“无信号”，显示器掉电，总线数据报“整流装置故障”，查看机电管理分系统故障码总线数据，报“ＵＭＣ２＿接口板故障”，故障复现。

●更换备用件后，机上故障消失。

故障计算机在ＵＭＣ１和ＵＭＣ２机位均会报“接口板故障”。结合语音报“整流装置故障”所对应的硬件采集接口电路均在机电管理计算机ＵＭＣ的接口板模块上实现。综上，可确认为机电管理计算机故障，导致语音告警。

３）故障检测

考虑到故障复现时串口ＶＭＥ异常打印如图３中所示。其中信息解读为：

●“ＢＥＲＲｏｎＶＭＥｓｔａｔｕｓ＝４２０”，表示ＩＲＱ５（ＳＩＭ模块４２２中断）时，记录了ＢＥＲＲ∗错误；

●“ＢＥＲＲｏｎＶＭＥｓｔａｔｕｓ＝４２４”，表示ＩＲＱ５和ＩＲＱ２时，记录了ＢＥＲＲ∗错误；

●“Ｖ＿ＡＭＥＲＲ＝２５８０００００”，表示在ＩＡＣＫ信号无效时（即非中断期间），ＶＭＥｂｕｓＡＭＣｏｄｅＥｒｒｏｒＬｏｇ为“９”，访问地址９００８００Ｃ８或９００８００２８或９００８００２０时，出现多次错误；

●９００８００Ｃ８是接口板进行离散量ＢＩＴ时，选择髙低激励的地址；

●９００８００２８是接口板进行模拟采集时，选择ＡＤ通道的地址；

●９００８００２０是接口板控制进行２７Ｖ／开离散量输出的地址。

根据打印信息，ＶＭＥ中断时会显示故障打印信息。

进行试验，按测试用例进行ＲＳ４２２数据通讯触发中断，ＵＭＣ接收的ＲＳ４２２数据使用ＶＭＥ中断接收，当ＣＰＵ响应中断接收数据时，首先会访问ＶＭＥ异常信息，将ＶＭＥ总线的异常信息通过串口打印显示，同时测试设备显示直流转应急，报故清单中报３个整流装置故障，故障复现。后经多次试验，该故障现象偶发出现。同时根据打印信息，ＣＰＵ在访问接口板的３个口地址时，没有收到ＤＴＡＣＫ应答信号等原因，产生了ＶＭＥ总线访问超时错误。

４）ＶＭＥ总线访问超时原理

ＣＰＵ访问接口板模块时，一个正常的访问周期约３００～４００ｎｓ。周期过程如下：

●首先ＣＰＵ放出ＡＳ（地址有效），ＤＳ（数据有效），以及地址Ａ３１～Ａ１；

●接口板模块的逻辑芯片，综合ＡＳ、ＤＳ、Ａ３１～Ａ１９以及ＳＹＳＲＥＳＥＴ（复位）和接口板ＩＤ，识别出ＣＰＵ是否在访问本模块，译码出大片选ＭＣＳ。

●接口板模块的Ｄ２０逻辑芯片，根据大片选ＭＣＳ以及系统时钟信号，按照总线应答状态机（如图４），在ＭＣＳ有效后的第４个时钟周期（约６２．５ｎｓ×４＝２５０ｎｓ），向ＣＰＵ回复ＤＴＡＣＫ信号。

●ＣＰＵ收到ＤＴＡＣＫ信号后，认为从模块已准备好。如果是写操作，则可以结束；如果是读操作，则ＣＰＵ可以从数据线上取数。约５０ｎｓ后，撤销ＡＳ、ＤＳ以及地址Ａ３１～Ａ１。

如果ＣＰＵ放出ＡＳ、ＤＳ以及地址以后，未收到ＤＴＡＣＫ信号（低有效），则ＣＰＵ等待约６４μｓ后，认为ＶＭＥ总线超时，在寄存器中记录该故障，撤销ＡＳ、ＤＳ以及地址，结束本次访问。此时就会在中断处理时打印出“ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ：ＢＥＲＲｏｎＶＭＥ……”错误信息［２］。

５）故障树

对故障件机电管理计算机中接口板模块进行重点排查，画出图５故障树。

在机电管理计算机中设计两块状态一致的接口板，可完全互换，分别标记为接口板１和接口板２，以硬件访问地址来区分两个模块。接口板１地址分配０Ｘ９０００∗∗∗∗，接口板２地址分配０Ｘ９００８∗∗∗∗。

根据故障件串口打印信息（ＶＡＥＲＲ＝９００８００∗∗），即显示ＣＰＵ访问接口板２模块时总线超时，引起模块故障。ＣＰＵ模块没有收到接口板２模块的ＤＴＡＣＫ应答信号，引起访问超时，此时就会在中断处理时打印出“ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ：ＢＥＲＲｏｎＶＭＥ……”错误信息。

梳理接口板２模块上复位信号ＳＹＳＲＥＳＥＴ分布，该复位信号从总线驱动芯片ＦＣＴ１６２２４４ＡＴＥＢ输出后分别输入到两片ＸＣ９５２８８逻辑芯片Ｄ２０和Ｄ２１芯片。

在Ｄ２１芯片测试点测量，ＳＹＳＲＥＳＥＴ信号存在跳变。为了进一步测试该芯片功能是否正常，对Ｄ２１的ＳＹＳＲＥＳＥＴ信号Ｐ２０６针脚进行单独测试。编写测试代码，仅将ＳＹＳＲＥＳＥＴ信号（Ｐ２０６）输出到Ｄ２１的Ｐ１０２针脚，作为ＳＹＳＲＥＳＥＴ信号输出测试点。经测量输出端Ｐ１０２与输入端Ｐ２０６波形一致。

结合以上分析，该Ｄ２１器件仅在灌装复杂代码情况下，出现异常。经光学检测排除Ｄ２１芯片焊接问题。将该芯片ＸＣ９５２８８－１５ＨＱ２０８Ｉ，从接口板２模块拆除送失效分析检测，根据检测分析，发现该芯片部分管脚外键合区有脱开现象。

本文结合飞行过程中发生的机电系统语音告警问题，探讨语音告警机理以及机电管理计算机对相关信号的双余度采集逻辑。通过分析记录数据、总线数据等信息进行故障分析定位，确定机电管理计算机中ＣＰＵ对接口板的ＶＭＥ访问超时故障。根据故障树并分析ＶＭＥ访问超时机理及总线相关信号质量，准确将故障原因定位至可编程逻辑芯片问题。为之后保证飞机安全飞行和机电管理计算机的研制和保障提供重要支撑。