在系統(tǒng)設計中添加“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)生意外瞬間的數據。飛機的“黑盒子”能夠收集大量飛行操作數據，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。這些數據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。所以，該設備的正確名稱應該是“事件數據記錄議”。

當然，在工程師眼里，“黑盒子”代表一個已知輸入、輸出，但內部操作未知的設備。本文并不討論這種設備。

在電子設備(而不是飛機)中增加數據記錄功能—“黑盒子”，將為系統(tǒng)提供非常有價值的信息。電子設備中所謂的復雜系統(tǒng)管理器—黑盒子，用于記錄網絡、通訊、工業(yè)、醫(yī)療設備的故障數據。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，大多數系統(tǒng)架構看起來非常接近。無論系統(tǒng)是路由器、服務器、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、溫度或風扇速度，如圖1所示。

圖1. 典型的電源管理架構

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，或者是風扇速度是否正常。將故障監(jiān)測轉化成檢測參數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據，并在發(fā)生故障時將數據存儲到非易失存儲器，由此創(chuàng)建事件數據記錄器，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)測電源和風扇

圖2中，復雜系統(tǒng)管理器連續(xù)收集系統(tǒng)電壓、電流、溫度和風扇速度等數據。類似于飛機上的“黑盒子”，記錄儀將滾動收集大量的最新數據(比如，500ms到1s的最新數據)。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。通過核查數據，可以重新組織時間段，確定系統(tǒng)的相互依賴關系。理想情況下，復雜系統(tǒng)管理器應記錄多種故障，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據。而且，大容量非易失數據存儲允許系統(tǒng)記錄并非關鍵的故障，只是表示系統(tǒng)的某些參數超出了工作范圍，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，以便立刻采取相應措施(步驟2)。復雜系統(tǒng)管理器會按照要求立即順序關閉電源和風扇(步驟3)，所有最新的系統(tǒng)電壓、電流、溫度和風扇速度等信息將記錄到系統(tǒng)的黑盒子內(步驟4)。因為已經記錄數據并存入非易失存儲器，可以隨時在以后隨時調用、查詢這些數據 (即使設備從現場返回)，便于分析設備失效的原因(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，是否違反產品可承受的條件限制。因此，通過收集現場失效數據，可以識別供應商的等級，辨別設計的優(yōu)劣，為未來產品的可靠性提供保障。

復雜系統(tǒng)管理器

Maxim提供大量內置非易失故障記錄器的復雜系統(tǒng)管理器，適用于服務器等大規(guī)模系統(tǒng)，也適合網絡交換機等“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節(jié)功能，可監(jiān)測電壓、電流和溫度故障，多個MAX34440可以并聯使用。MAX31785控制、監(jiān)測多達6個風扇，與MAX34440一樣，多個MAX31785也可以并聯監(jiān)測更多風扇。

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

Maxim還提供支持網絡交換機等小型系統(tǒng)的管理器，利用MAX34441可以監(jiān)測5路電源和1個風扇(圖5)。為提高設計靈活性，多個MAX34441可以并聯起來，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

結論

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

審核編輯：郭婷