在系統(tǒng)設(shè)計中添加“黑盒子”故障記錄議

引言

相信每個人都了解“黑盒子”的用途，用于記錄飛機飛行過程中發(fā)生意外瞬間的數(shù)據(jù)。飛機的“黑盒子”能夠收集大量飛行操作數(shù)據(jù)，包括：高度、速度、襟翼和航向位置；記錄飛行員在事故發(fā)生之前進行的操作和對話。這些數(shù)據(jù)對于最終分析事故的根本原因起著重要作用。

“黑盒子”并非名副其實，飛機上的黑盒子從不是黑色的，而是采用橙色，以便容易被發(fā)現(xiàn)。所以，該設(shè)備的正確名稱應(yīng)該是“事件數(shù)據(jù)記錄議”。

當(dāng)然，在工程師眼里，“黑盒子”代表一個已知輸入、輸出，但內(nèi)部操作未知的設(shè)備。本文并不討論這種設(shè)備。

在電子設(shè)備(而不是飛機)中增加數(shù)據(jù)記錄功能—“黑盒子”，將為系統(tǒng)提供非常有價值的信息。電子設(shè)備中所謂的復(fù)雜系統(tǒng)管理器—黑盒子，用于記錄網(wǎng)絡(luò)、通訊、工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備的故障數(shù)據(jù)。記錄故障所帶來的最大好處是快速、有效地進行失效分析。本文介紹了實現(xiàn)這個功能的方案以及利用非易失故障記錄的便利條件。

電源管理機制

從電源管理的角度看，大多數(shù)系統(tǒng)架構(gòu)看起來非常接近。無論系統(tǒng)是路由器、服務(wù)器、基站、光纖交換機、可編程控制器，還是磁共振成像儀，它們都包含開關(guān)電源和線性穩(wěn)壓器，而且都需要監(jiān)測電壓、電流、溫度或風(fēng)扇速度，如圖1所示。

圖1. 典型的電源管理架構(gòu)

非易失故障記錄

無論是大規(guī)模系統(tǒng)，還是一個“比薩”盒子大小的系統(tǒng)，其系統(tǒng)管理器的主要功能是控制、監(jiān)測大量的電源和風(fēng)扇，其中包括：系統(tǒng)故障查詢，例如：過壓/欠壓、過流、溫度是否超出工作范圍，或者是風(fēng)扇速度是否正常。將故障監(jiān)測轉(zhuǎn)化成檢測參數(shù)是否超出閥值這類簡單操作。系統(tǒng)運行過程中實時采集數(shù)據(jù)，并在發(fā)生故障時將數(shù)據(jù)存儲到非易失存儲器，由此創(chuàng)建事件數(shù)據(jù)記錄器，圖2顯示了一個系統(tǒng)方案。

圖2. 非易失故障記錄系統(tǒng)框圖，監(jiān)測電源和風(fēng)扇

圖2中，復(fù)雜系統(tǒng)管理器連續(xù)收集系統(tǒng)電壓、電流、溫度和風(fēng)扇速度等數(shù)據(jù)。類似于飛機上的“黑盒子”，記錄儀將滾動收集大量的最新數(shù)據(jù)(比如，500ms到1s的最新數(shù)據(jù))。發(fā)生故障時，系統(tǒng)的瞬間信息將被永久記錄下來。能夠檢查故障發(fā)生前500ms至1s期間的系統(tǒng)操作，為排查系統(tǒng)故障的原因和系統(tǒng)分析非常重要。通過核查數(shù)據(jù)，可以重新組織時間段，確定系統(tǒng)的相互依賴關(guān)系。理想情況下，復(fù)雜系統(tǒng)管理器應(yīng)記錄多種故障，便于建立系統(tǒng)之間的相互依賴性，發(fā)生一個故障后，可能會引發(fā)更多的后續(xù)故障。為了找到故障的根本原因，需要記錄盡可能完備的數(shù)據(jù)。而且，大容量非易失數(shù)據(jù)存儲允許系統(tǒng)記錄并非關(guān)鍵的故障，只是表示系統(tǒng)的某些參數(shù)超出了工作范圍，這對提高整體系統(tǒng)的安全性非常重要。

設(shè)計示例

考慮圖3所示系統(tǒng)，如果一路電源失效(步驟1)，并且連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)電壓、電流和溫度的復(fù)雜系統(tǒng)管理器同時檢測到這一故障。這個管理器將立即通知其它管理器，以便立刻采取相應(yīng)措施(步驟2)。復(fù)雜系統(tǒng)管理器會按照要求立即順序關(guān)閉電源和風(fēng)扇(步驟3)，所有最新的系統(tǒng)電壓、電流、溫度和風(fēng)扇速度等信息將記錄到系統(tǒng)的黑盒子內(nèi)(步驟4)。因為已經(jīng)記錄數(shù)據(jù)并存入非易失存儲器，可以隨時在以后隨時調(diào)用、查詢這些數(shù)據(jù) (即使設(shè)備從現(xiàn)場返回)，便于分析設(shè)備失效的原因(步驟5)。

圖3. 黑盒子故障記錄器

非易失故障記錄的優(yōu)勢

非易失故障記錄具有很多優(yōu)點，如果一個設(shè)備能夠跟蹤失效記錄，將有助于失效分析人員快速定位失效原因。這種解決問題的能力可提升用戶滿意度，因為用戶迫切需要了解事故原因。得到事故分析報告越快，也可以盡早地糾正錯誤，從而避免潛在危險、避免故障的再此發(fā)生，提高整體系統(tǒng)的可靠性。借助非易失故障記錄器，可以了解用戶操作是否符合常規(guī)要求，是否違反產(chǎn)品可承受的條件限制。因此，通過收集現(xiàn)場失效數(shù)據(jù)，可以識別供應(yīng)商的等級，辨別設(shè)計的優(yōu)劣，為未來產(chǎn)品的可靠性提供保障。

復(fù)雜系統(tǒng)管理器

Maxim提供大量內(nèi)置非易失故障記錄器的復(fù)雜系統(tǒng)管理器，適用于服務(wù)器等大規(guī)模系統(tǒng)，也適合網(wǎng)絡(luò)交換機等“比薩”盒子大小的小型系統(tǒng)，如圖4和圖5所示。

MAX34440控制并監(jiān)測多達6路電源(圖4)，具有電源排序和裕量調(diào)節(jié)功能，可監(jiān)測電壓、電流和溫度故障，多個MAX34440可以并聯(lián)使用。MAX31785控制、監(jiān)測多達6個風(fēng)扇，與MAX34440一樣，多個MAX31785也可以并聯(lián)監(jiān)測更多風(fēng)扇。

圖4. 利用MAX34440和MAX31785構(gòu)建的大規(guī)模系統(tǒng)

Maxim還提供支持網(wǎng)絡(luò)交換機等小型系統(tǒng)的管理器，利用MAX34441可以監(jiān)測5路電源和1個風(fēng)扇(圖5)。為提高設(shè)計靈活性，多個MAX34441可以并聯(lián)起來，也可以和多個MAX34440、MAX31785配合使用。

圖5. 利用MAX34441提供小型系統(tǒng)管理

結(jié)論

在網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制、醫(yī)療和通信設(shè)備中增加“黑盒子”記錄器，有助于快速分析失效原因。因而也會提升產(chǎn)品的長期穩(wěn)定性，針對客戶問題作出快速響應(yīng)，最終提高用戶的滿意度。

審核編輯：郭婷