本文介紹如何向網(wǎng)絡(luò)、通信、工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備添加“黑匣子”功能（非易失性故障記錄）。它概述了記錄故障數(shù)據(jù)的好處，包括更快、更明確的故障分析。

背景

每個(gè)人都熟悉“黑匣子”一詞，指的是提供飛機(jī)失事原因線索的設(shè)備。飛機(jī)的黑匣子收集了有關(guān)飛機(jī)運(yùn)行條件的大量數(shù)據(jù)點(diǎn)，包括高度、速度、襟翼和方向舵位置;它記錄了飛行員在事故發(fā)生前所做的事情和所說(shuō)的話(huà)。此運(yùn)行日志記錄了崩潰前發(fā)生的事情，對(duì)于確定事件的根本原因至關(guān)重要。

順便說(shuō)一句，“黑匣子”一詞用詞不當(dāng)。飛機(jī)上使用的設(shè)備從來(lái)都不是黑色的——它是橙色的，以便于定位。該設(shè)備的正確航空電子術(shù)語(yǔ)是“事件數(shù)據(jù)記錄器”。

當(dāng)然，工程界也會(huì)把黑匣子理解為輸入和輸出已知，但黑匣子的內(nèi)部操作未知的設(shè)備。這種類(lèi)型的黑匣子不是本文的主題。

在飛機(jī)以外的電子設(shè)備中添加數(shù)據(jù)記錄功能（黑匣子）可以證明非常有價(jià)值。黑匣子功能在電子設(shè)備中被稱(chēng)為“復(fù)雜系統(tǒng)管理器”，可在網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制、醫(yī)療和通信設(shè)備中提供故障記錄。故障記錄的主要好處非常簡(jiǎn)單：更快、更明確的故障分析。本文介紹如何實(shí)現(xiàn)此類(lèi)功能，并概述非易失性故障記錄可以實(shí)現(xiàn)的好處。

電源管理方案

從電源管理的角度來(lái)看，大多數(shù)“大盒子”和“小盒子”系統(tǒng)的內(nèi)部工作原理看起來(lái)非常相似。無(wú)論機(jī)箱是路由器、服務(wù)器、基站、光復(fù)用器、可編程邏輯控制器 （PLC） 還是磁共振成像儀 （MRI），它們都包含一系列開(kāi)關(guān)模式電源和線性電源，需要監(jiān)控電壓、電流、溫度和可能的風(fēng)扇速度。參見(jiàn)圖1。

圖1.典型的電源布置。

非易失性故障記錄

在大型大盒子系統(tǒng)和較小的“披薩盒”系統(tǒng)中，復(fù)雜的系統(tǒng)管理器的主要功能是控制和監(jiān)視許多電源和風(fēng)扇。監(jiān)控包括查找系統(tǒng)故障事件，例如電壓過(guò)高或過(guò)低、電流過(guò)高、溫度超出范圍以及風(fēng)扇未以適當(dāng)速度旋轉(zhuǎn)。檢查故障可以像檢查參數(shù)是否超出閾值一樣簡(jiǎn)單。如果在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并在發(fā)生故障時(shí)將其存儲(chǔ)到非易失性存儲(chǔ)器中，則可以創(chuàng)建事件數(shù)據(jù)記錄器功能。圖 2 顯示了這樣一個(gè)系統(tǒng)。

圖2.用于多個(gè)電源和風(fēng)扇的非易失性故障記錄系統(tǒng)的功能圖。

在圖 2 中，復(fù)雜的系統(tǒng)管理器連續(xù)收集有關(guān)眾多系統(tǒng)電壓、電流、溫度和風(fēng)扇速度的數(shù)據(jù)。與飛機(jī)中的黑匣子類(lèi)似，最新的參數(shù)數(shù)據(jù)（例如，最近 500 毫秒到 1 秒的數(shù)據(jù)）是滾動(dòng)連續(xù)收集的。然后，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，將永久記錄當(dāng)時(shí)系統(tǒng)的快照。能夠在故障發(fā)生之前檢查系統(tǒng)運(yùn)行前 500 毫秒到 1 秒，是了解導(dǎo)致故障的原因以及系統(tǒng)如何受到影響的關(guān)鍵信息。通過(guò)檢查數(shù)據(jù)，可以重建時(shí)間線并確定相互依賴(lài)關(guān)系。理想情況下，復(fù)雜的系統(tǒng)管理器應(yīng)記錄多個(gè)故障發(fā)生。由于系統(tǒng)相互依賴(lài)性緊密耦合，一個(gè)故障可能會(huì)導(dǎo)致多個(gè)系統(tǒng)故障連續(xù)發(fā)生。因此，為了找到故障的根本原因，捕獲所有數(shù)據(jù)非常重要。此外，大量的非易失性存儲(chǔ)允許系統(tǒng)存儲(chǔ)可能不被視為災(zāi)難性的事件，而只是指示系統(tǒng)何時(shí)在指定范圍之外運(yùn)行。此數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)對(duì)于強(qiáng)制執(zhí)行保修合規(guī)性非常重要。

一個(gè)例子

考慮圖 3 中所示的場(chǎng)景。電源發(fā)生故障（步驟1），故障由持續(xù)監(jiān)控電壓、電流和溫度的復(fù)雜系統(tǒng)管理器之一檢測(cè)到。經(jīng)理會(huì)立即通知系統(tǒng)中的其他經(jīng)理，以便他們可以根據(jù)需要采取措施（步驟 2）。然后，復(fù)雜的系統(tǒng)管理器根據(jù)系統(tǒng)需要對(duì)電源和風(fēng)扇進(jìn)行排序（步驟 3）。然后，有關(guān)系統(tǒng)電壓、電流、溫度和風(fēng)扇速度的所有最新數(shù)據(jù)都會(huì)記錄到每個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)管理器的板載黑匣子中（步驟 4）。由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，主機(jī)可以在將來(lái)的任何時(shí)候（即使在從現(xiàn)場(chǎng)返回?cái)?shù)據(jù)之后）提取數(shù)據(jù)，以確定導(dǎo)致故障的原因（步驟5）。

圖3.黑盒故障日志記錄方案。

非易失性故障記錄的優(yōu)勢(shì)

非易失性故障記錄具有許多優(yōu)點(diǎn)。如果設(shè)備能夠跟蹤現(xiàn)場(chǎng)故障期間發(fā)生的情況，故障分析團(tuán)隊(duì)可以快速分析并準(zhǔn)確確定故障的根本原因。這種故障排除改善了客戶(hù)關(guān)系，因?yàn)橛脩?hù)不可避免地希望快速了解設(shè)備故障的原因。此外，制造商越快意識(shí)到潛在的責(zé)任，他們就能越快地糾正問(wèn)題并節(jié)省未來(lái)潛在故障的成本。這再次使客戶(hù)滿(mǎn)意，并提高了其設(shè)備的整體可靠性。非易失性故障記錄還可以確定客戶(hù)是否在指定的工作范圍之外使用設(shè)備，這一操作可能違反產(chǎn)品保修。隨著時(shí)間的推移，收集現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)可以通過(guò)識(shí)別不良供應(yīng)商和薄弱的設(shè)計(jì)實(shí)踐來(lái)提高未來(lái)的產(chǎn)品可靠性。

復(fù)雜系統(tǒng)管理器

Maxim Integrated提供多種復(fù)雜的系統(tǒng)管理器，包括廣泛的非易失性故障記錄，適用于服務(wù)器等大型系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等披薩盒設(shè)計(jì)。參見(jiàn)圖 4 和圖 5。

MAX34440控制和監(jiān)視多達(dá)4個(gè)電源（圖34440）。它提供電源排序和裕量調(diào)節(jié)，并監(jiān)控電壓、電流和溫度故障。多個(gè)MAX31785器件可以并聯(lián)，以處理系統(tǒng)中存在的所有電源。MAX34440控制和監(jiān)視多達(dá)31785個(gè)風(fēng)扇。與MAX<>一樣，可以使用多個(gè)MAX<>器件來(lái)支持任意數(shù)量的風(fēng)扇。

圖4.大盒子系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用MAX34440和MAX31785。

Maxim還提供復(fù)雜的系統(tǒng)管理器，支持網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等小型披薩盒設(shè)計(jì)。MAX34441支持多達(dá)5個(gè)電源和一個(gè)風(fēng)扇（圖34441）。為了最大限度地提高設(shè)計(jì)靈活性，多個(gè)MAX34440器件可以并聯(lián)或與多個(gè)MAX31785和MAX<>器件配合使用。

圖5.采用MAX34441的披薩盒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

價(jià)值主張

網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制、醫(yī)療和通信設(shè)備中的黑匣子故障記錄可實(shí)現(xiàn)更快、更明確的故障分析。反過(guò)來(lái)，這又可以通過(guò)更快的反應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生更高的客戶(hù)滿(mǎn)意度，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，更好的產(chǎn)品可靠性。

審核編輯：郭婷