张弘扬 朱天辉 魏娜

摘要：针对某型惯导系统在修理过程中出现备份机夺权故障，进行备份机故障分析研究。通过对备份机夺权原理的分析以及对故障芯片进行x射线电子线路分析研究，实现了故障定位与排除，最后总结了备份机故障性质、原因与相应措施.有效降低了备份机故障率.提高了装备的使用可靠性。 关键词：备份计算机;可编程门电路;三态门

0引言

平台式惯导系统已广泛应用于我军主战机型，针对惯导系统的故障诊断与分析研究也越来越多。电子线路板是平台式惯导系统的重要组成部分，为惯导提供电源和控制信号，计算并输出导航参数。备份计算机板属于惯导系统中一块非常重要的电子线路板，它的主要功能是与GPS接收机进行交联进而实现收星功能，同时备份计算机还有输入输出开关量以及对相关的模拟电路输出施距换挡信号、温度控制信号、马达启动信号等功能。

备份计算机在惯导系统中起着相当重要的作用，一旦备份计算机板发生故障，将导致整个计算机系统通信机制紊乱，并引起模拟电路板的信号错误，致使整个惯导系统不能正常工作。

1故障现象及故障分析定位

1.1故障现象

某型惯导系统在常温下进行静态阻值测试、单机通电、全机通电工作均正常，在进行综合环境试验时，振动一分钟后报故，故障代码为51#AD/DA故障、21#陀螺超温、22#加计超温、15#伺服回路故障。

1.2故障分析

通过分析该型惯导系统的原理，结合实际的故障现象，对故障进行定位。首先，根据51#AD/DA故障，初步判定为接口电路的模拟信号与数字信号转换功能故障，更换接口电路板后故障仍复现;其次，根据21#陀螺超温、22#加计超温，怀疑温控电路故障，更换温控电路板后故障仍复现;最后，15#伺服回路故障是整个平台的伺服回路故障，由于确定平台功能正常，因此断定15#故障是由51#、21群、22#故障引起的，为伪故障。综合以上信息，初步断定是由于备份计算机夺取了主计算机的总线控制权，最终导致惯导系统报故。

1.3故障定位

经分析，将备份计算机的夺权高/低信号、主机故障高/低信号端进行飞线，并用示波器对信号进行检测。在惯导系统正常工作时，夺权高信号为5V高电平，主机故障高信号为4.2V高电平，夺权低信号和主机故障低信号均为0V低电平;在惯导系统报故后，夺权高信号和主机故障高信号均为0V低电平，夺权低信号为5V高电平，主机故障低信号为4.2V高电平。通过分析，确定备份计算机夺取了主计算机的总线控制权。而备份计算机夺取主计算机的总线控制权的前提是主计算机出现故障后不能正常工作，主计算机将故障指示信号发送至备份计算机，备份计算机接收到主计算机的信号后夺取总线控制权。该惯导系统主计算机的相关功能经测试均正常，在主计算机正常工作的状态下，备份计算机主动夺取总线控制权，进而确认是由于备份计算机故障导致了惯导系统报故。

2故障原因分析

2.1备份计算机原理

在正常情况下，备份计算机执行卫星导航接口机的功能，通过R$232串行口与双G接收机交联。同时，主计算机通过总线周期性地向双13RAM存放（刷新）数据。当主计算机故障时，备份计算机夺取总线控制权，并从双13RAM取得最近的数据，进行计算和控制，其电路原理如图1所示。

2.2备份机可能存在的故障原因

可能导致备份计算机夺取主计算机总线控制权的原因包括备份计算机插针虚焊接触不良、备份计算机主程序芯片故障、可编程逻辑器件故障。

1）备份计算机插针虚焊接触不良

插针是备份计算机与惯导系统其他电子线路板进行信号交联的通道，插针虚焊或断针都会影响备份计算机与惯导系统内其他电子线路板问的正常通信，进而造成备份计算机夺取主计算机的总线控制权，导致惯导系统报故。利用x射线电子线路分析仪对备份计算机插针的线路进行检测，插针状态完好，故排除插针虚焊接触不良引起备份计算机故障的可能性。

2）备份计算机主程序芯片故障

备份计算机的主程序芯片共有4片EPROM，程序芯片中加载的备份计算机程序是整个备份计算机的核心。备份计算机的工作流程及工作机制都是由备份计算机程序控制的，一旦主程序芯片出现故障，将导致备份计算机不能正常工作。拆下4片程序芯片，将原有程序擦除，重新加载程序，并将程序芯片装回备份计算机板，惯导系统进行综合环境试验依旧报故，故排除备份计算机主程序芯片故障引起惯导系统报故的可能性。

3）可编程逻辑器件故障

备份计算机电路中有多个可编程逻辑器件，也称可编程门电路，这些芯片根据不同的信号处理功能加载不同的逻辑程序，在数字电路中实现各种逻辑功能。如果这些可编程门电路出现故障，必然导致备份计算机中的各逻辑信号紊乱，造成备份计算机故障。由于备份计算机中可编程门电路数量较多，因此采用逐一排除的方法不可取，只能从备份计算机的工作原理入手，对备份计算机夺取主计算机总线控制权的工作机理进行分析。

在惯导系统正常工作时，备份计算机的主要功能是执行卫星导航接口机的功能。当主计算机发生故障时，主计算机会向备份计算机发送主计算机故障指示信号，接收到来自主计算机的故障指示信号后，备份计算机向主计算机发出夺取总线控制权的信号。经测试主计算机功能正常，由此断定是备份计算机的控制程序出现了逻辑错误，在没有接收到主计算机的故障指示信号的情况下发出了夺取总线控制权信号，如图2所示。

对可编程门电路进行机理分析，当主计算机发生故障时，向三态门芯片的A、B端发送主计算机故障信号，同时可编程门电路K通过c、D端向三态门发送逻辑控制信号，三态门通过E、F端向可编程门电路H的D2、D3端发送信号，进而产生夺权信号。测试表明主计算机并没有向三态门的A、B端发送主机故障信号，但是可编程门电路H的D2、D3端确实收到了来自三态门E、F端的相应信号，进而产生夺权信号，因此，判定可编程门电路K存在故障，进而引发了备份计算机夺取总线控制权的故障。将存在故障的可编程门电路K从备份计算机电路板中拆下，发现此芯片的管脚存在断裂情况。

3失效分析

此可编程门电路为进口产品，制造工艺及材质不详，表面有三防胶保护。用无水乙醇清洗后，除去表面三防胶。通过对管脚断口进行微观形貌观察、微区成分能谱分析，确定了管脚的失效性质，并对其失效原因进行了分析。

由圖3可见，管脚断口均较为平坦，无明显的扩展棱线;断口边缘的磨损痕迹多由后期制样过程造成，非断裂过程形成;观察断口的微观形貌，可见典型的疲劳弧线，断裂均从一侧起源，而后逐渐向内部扩展，最终形成断裂或裂纹;断口表面颜色均一，呈亮灰色，无腐蚀或氧化特征，为常期振动形成。针脚断口微观形貌均可见典型的疲劳条带，表明断裂性质为疲劳断裂。若振动应力达到了管脚的疲劳极限应力，则疲劳裂纹会在管脚表面起源，并逐渐扩展，最终断裂。

4结束语

针对某型惯导产品备份机夺权故障，进行备份机故障分析研究。通过对夺权原理梳理分析，对故障芯片进行x射线电子线路分析研究，实现了故障定位与排除，最后从失效分析结果印证了此次备份机故障原因。整体来看，断裂管脚位于可编程门电路的右上角，在长期振动过程中此方向振动应力最大。针对管脚疲劳失效的特征情况制定以下措施。

1）在可编程门电路安装使用之前，应检查针脚的状态，排除有裂纹针脚的情况。

2）在产品安装、修理及调试过程中应避免产生多余的应力。

以上措施的实施，有效降低了该型备份机的故障发生率，提高了装备的使用可靠性。