机载设备FPGA逻辑加载失败的解决方案*

2018-09-06张旭洲车炯晖

山西电子技术 2018年4期

张旭洲，车炯晖，李林

(中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，陕西西安 710065)

0 前言

随着航空电子产业的飞速发展，例如全程自动驾驶仪、综合模块化航电系统、人工模拟自然灯光等这些信息化产品已成为现代飞机的标准配置，可以说解开一架现代飞机的蒙皮，就会发现下面分布着密密麻麻的电线和各种电子部件[1]。随之而来的是航空电子产品的复杂度和综合化程度的不断提高，向着体积小、功耗低、重量轻的方向发展过程中，航空机载设备中FPGA的应用领域和规模逐步扩大[2]，FPGA几乎成了机载设备必不可少的核心元器件。随着包含FPGA的机载设备的大量使用，发现了多起在全机加电的过程中，某机载设备中的FPGA逻辑加载失败的故障现象。

1) 机载设备FPGA逻辑加载失败的表现

FPGA(Field Programmable Gate Array)于1985年由Xilinx创始人之一Ross Freeman发明[3]，发展至今，FPGA在机载设备中得到广泛应用，其地位一般属于控制电路的核心部件。如果其在启动过程中，逻辑加载失败，则该机载设备将无法正常启动，往往给机务人员带来的感觉是该设备没有正常启动，“设备不工作”、“输入信号采集异常”“输出信号不能正常受控”等是机务人员通常对该类故障的描述，并会重点提到“给设备下电后，再次上电，故障现象消失，设备工作正常”。

2) 机载设备FPGA逻辑加载失败故障的排查

该类故障排查的过程中，往往苦恼于故障仅仅是在很偶然的情况下发生，并且给设备下电后，再次上电，故障现象消失，设备工作正常；更加困难的是，如果将该故障设备从飞机上拆下了，在实验室进行测试，故障并不复现。

经过对故障进行分析，以及对飞机现场的工作情况的详细了解，注意到一个较为相关的描述，该类故障经常发生在气温较低的气候条件下，并且是在清晨第一次加电的过程中。经详细排查发现，气温较低及清晨第一次加电的情况下，供电电源电压建立的过程更加“缓慢”，机载直流设备的供电电源来自机外供电设备或机上直流电源，其启动方式可分为两种：一种是通过机外供电设备启动机载直流设备，待机载直流设备工作稳定后再切换为机上直流电源供电；也可以是直接用机上直流电源启动机载直流设备，但无论是哪种启动方式，在电源启动的瞬间，其供电电压建立的过程，直接影响给FPGA供电的二次电源的品质，当FPGA在进行逻辑加载的过程中，二次电源不稳定，会导致FPAG逻辑加载失败。

1 FPGA逻辑加载失败解决方案

1.1 改善二次电源启动波形

28VDC供电系统多为飞行控制、应急通讯以及数据处理等关键用电设备供电[4]，当供电电源启动后，28VDC开始爬升，机载设备内部的二次电源变换电路也随之开始工作，输出二次电源(5VDC)，当28VDC电压波形上升缓慢或者波动剧烈的情况下，5VDC的波形也会出现较为剧烈的波动，这种波动如果恰巧出现在FPGA逻辑加载的过程中，则会导致其逻辑加载失败，如图1所示。

图1 28VDC电压波形上升缓慢或波动剧烈的

针对上述情况，改善二次电源启动波形是一个解决方法：可考虑在二次电源的输出电路中增加延时输出的功能，“避开”机上28VDC建立的过程，即在28VDC稳定后，再输出5VDC。

增加了延时功能之后的二次电源启动波形如图2所示。

图2 增加延时功能后5VDC的波形改善情况

1.2 逻辑多次加载机制

由于该类故障中FPGA逻辑加载失败后，不能进行二次加载，只有通过设备下电后再次上电实现逻辑的重新加载，因此可以考虑设计逻辑的多次加载功能，从而解决FPGA逻辑一次加载失败后设备无法正常工作的故障。

如图3所示，在原有流程的基础上增加了使用CPU模块对FPGA芯片逻辑是否加载成功的判断，若FPGA芯片逻辑加载失败，则由CPU模块控制其再次进行逻辑加载(该过程可反复执行3次)，直至FPGA芯片成功加载，产品进入正常工作状态。通过增加使用CPU模块监控FPGA芯片逻辑加载是否成功，并控制FPGA芯片重新进行加载，可有效解决当前状态的产品因外部28V供电扰动导致的FPGA芯片加载失败，产品启动工作异常的故障现象，增强产品的抗干扰能力。

图3 FPGA芯片逻辑多次加载策略

1.3 解决方案效果验证

图4中，(a)图模拟的是设备在飞机上正常启动的情况，28VDC及5VDC的波形稳定，FPGA逻辑加载成功；(b)图模拟的是28VDC出现波动，从而导致5VDC出现波动，最终导致FPGA逻辑加载失败；(c)图模拟的是“FPGA增加逻辑多次加载功能”后，在28VDC出现同样的波动情况下，逻辑加载成功的验证结果；(d)图模拟的是“5VDC增加延时功能”后，在28VDC出现剧烈波动情况下，逻辑加载成功的验证结果。