基于嵌入式USB主機(jī)的飛控?cái)?shù)據(jù)記錄器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

樊文俠，房 壯

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)對(duì)保障飛機(jī)的日常飛行訓(xùn)練，分析飛行事故，評(píng)估飛行訓(xùn)練質(zhì)量都發(fā)揮了極其重要的作用。但是，當(dāng)前的飛行數(shù)據(jù)記錄器的缺點(diǎn)十分明顯，主要反映在以下幾點(diǎn)：

1）體積大、重量大、功耗大的缺點(diǎn)；

2）地面PC通過RS232串口卸載數(shù)據(jù)記錄器中的數(shù)據(jù)，存在卸載速度慢，無法脫離PC的應(yīng)用環(huán)境，給現(xiàn)場(chǎng)卸載數(shù)據(jù)帶來了不便；

3）地面PC需要安裝相應(yīng)的數(shù)據(jù)卸載軟件，導(dǎo)致數(shù)據(jù)記錄器移動(dòng)性差。

隨著USB接口技術(shù)的成熟和USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的普及，如果在飛行數(shù)據(jù)記錄器集成USB主機(jī)接口，飛行數(shù)據(jù)記錄器可以與USB大容量存儲(chǔ)設(shè)備（如U盤）之間直接通信，擺脫了只能通過PC來進(jìn)行相互的文件和數(shù)據(jù)交換，提高了數(shù)據(jù)卸載速度，實(shí)現(xiàn)了飛行數(shù)據(jù)卸載的靈活移動(dòng)。

根據(jù)具體飛行數(shù)據(jù)器的實(shí)際需要，研究設(shè)計(jì)了一種新型飛行數(shù)據(jù)固態(tài)記錄器，通過RS232接口接收機(jī)載數(shù)據(jù)，并以BIN文件格式保存到NAND Flash海量存儲(chǔ)芯片上，數(shù)據(jù)記錄器通過USB主機(jī)接口與大容量設(shè)備進(jìn)行文件和數(shù)據(jù)交換，完成數(shù)據(jù)卸載的任務(wù)。

1 飛行數(shù)據(jù)記錄器的工作原理和整體設(shè)計(jì)

飛控?cái)?shù)據(jù)記錄器用于記錄無人機(jī)在飛行過程中的飛行參數(shù)，首先接收RS422串口數(shù)據(jù)并以BIN文件格式記錄在海量存儲(chǔ)器中，待飛機(jī)返回地面后數(shù)據(jù)以一定的文件格式轉(zhuǎn)存到USB大容量存儲(chǔ)設(shè)備中，并可以在PC機(jī)上根據(jù)需要分析數(shù)據(jù)。工作流程如下：

1）通過RS422接收數(shù)據(jù) ARM控制器在完成系統(tǒng)初始化和構(gòu)建FAT16文件系統(tǒng)后，默認(rèn)進(jìn)入接收RS422端口的數(shù)據(jù)狀態(tài)，飛行參數(shù)按照BIN文件的格式保存到NAND Flash存儲(chǔ)器中。

2）通過USB接口卸載數(shù)據(jù) 當(dāng)USB設(shè)備插入主機(jī)體統(tǒng)上后，由USB主控器通過外部中斷信號(hào)來通知ARM控制器，ARM控制器與USB主控器完成設(shè)備的枚舉、配置等操作后，將存儲(chǔ)在NAND Flash存儲(chǔ)器的飛行參數(shù)文件卸載到U盤。模塊的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 硬件層設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主要硬件選型

圖1 USB數(shù)據(jù)記錄器結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 USB data recorder configuration diagram

從圖1可知，USB飛控?cái)?shù)據(jù)記錄器可以細(xì)分為ARM微處理器、USB主機(jī)控制器、NAND Flash大容量存儲(chǔ)器。ARM微處理和USB主機(jī)控制器共同實(shí)現(xiàn)了USB功能，USB主機(jī)控制器為移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備提供接口，并實(shí)現(xiàn)部分的底層USB協(xié)議；大容量存儲(chǔ)器是存儲(chǔ)飛行數(shù)據(jù)的設(shè)備。

1）微控制器：選用 NXP公司的 ARM7TDMAI處理器LPC2214主要優(yōu)點(diǎn)：低功耗，采用3.3 V供電，內(nèi)核電壓1.8 V；主頻高，運(yùn)行頻率達(dá)到60 MHz，擁有256 kB片內(nèi)的Flash編程存儲(chǔ)器，16 kB SRAM；－40～85℃的工作范圍滿足數(shù)據(jù)記錄器的工作條件[1]。

2）USB主機(jī)接口:PHILIPS公司的ISP1161A1是一個(gè)單片通用串行總線（USB）主機(jī)控制器（HC）和設(shè)備控制器（DC）。ISP1161A1的主機(jī)控制器符合串行總線2.0規(guī)范，支持全速（12 Mbit/s）和低速（1.5 Mbit/s）的數(shù)據(jù)傳輸。 ISP1161A1 提供兩個(gè)下行端口，每個(gè)下行端口都有一個(gè)過流（OC）檢測(cè)輸入及電源快關(guān)控制輸出引腳[2]。

3）FlASH：由于記錄器要存儲(chǔ)容量至少達(dá)到128 MB，從而選用SASUNG公司的NANDFLASH K9F1G08U0M，其實(shí)際的存儲(chǔ)容量高達(dá)128 MB+4 MB，其中4 MB為備用空間；－40～85℃的工作范圍滿足數(shù)據(jù)記錄器的工作條件；供電3.3 V，功耗低，可以和LPC2214芯片使用同一個(gè)3.3 V穩(wěn)壓電源，簡(jiǎn)化了電源電路的設(shè)計(jì)。

4）片外RAM擴(kuò)展：由于需要在飛控?cái)?shù)據(jù)記錄器構(gòu)建USB主機(jī)協(xié)議棧、FAT16文件系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)存開銷很大，LPC2214的自身16 k已無法滿足要求，需要向片外擴(kuò)展RAM，選擇 8 MB 的 PSRAM（MT45W4MW16），16位總線接口系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

飛控?cái)?shù)據(jù)記錄器的硬件部分結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由ARM最小系統(tǒng)，用于存放飛行參數(shù)的片外NAND Flash存儲(chǔ)電路、RS-422接口電路、USB主機(jī)接口、片外SRAM擴(kuò)展電路五部分構(gòu)成。本文主要介紹NAND Flash存儲(chǔ)電路和USB主機(jī)部分的電路。

1）NAND Flash 存儲(chǔ)電路

將CPU的總線讀寫信號(hào)/OE和/WE分別與靜態(tài)存儲(chǔ)器的片選信號(hào)線/CS0相或之后作為NAND FLASH的讀寫信號(hào)，這樣做的一個(gè)好處是當(dāng)以后擴(kuò)展新功能時(shí)，/OE和/WE的狀態(tài)不會(huì)影響NAND FLASH的讀寫信號(hào)。而NAND FLASH的片選信號(hào)/CE通過CPU的IO口P4.22進(jìn)行控制。7管腳接上拉電阻使該FLASH處于就緒狀態(tài)，同時(shí)將忙信號(hào)通過P4.23反饋給LPC2214。命令鎖存使能、地址鎖存使能信號(hào)分別與地址線A21、A20相連。這樣連接的一個(gè)主要原因是，所有的CPU管腳都在一起，方便PCB板的布線。NAND FLASH的連線如圖2所示。

圖2 NAND Flash存儲(chǔ)電路Fig.2 Circuit of NAND Flash storage

2）USB主機(jī)接口電路

當(dāng)USB設(shè)備與主機(jī)連接或斷開時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大電流也就是浪涌，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)過流保護(hù)電路。ISP1161A1主機(jī)芯片的VCC接到5V電源時(shí)，內(nèi)部過流檢測(cè)電路被使能。當(dāng)芯片檢測(cè)到一個(gè)過流狀態(tài)時(shí)，將關(guān)閉下行端口Vbus的5 V電源。當(dāng)處于非過流狀態(tài)時(shí)，將打開Vbus的5 V電源。在設(shè)計(jì)中，用一個(gè)P－溝道MOSFET作為Vbus電源開關(guān)。用一個(gè)P－溝道MOSFET的源極與5 V電源連接，Vbus接源級(jí)和H_PSWn接閘級(jí)。漏極與源級(jí)上的壓降，為過流檢測(cè)電壓（VOC）。當(dāng)VOC標(biāo)稱的電壓閥值H_PSWn將輸出高電平，關(guān)閉P－溝道MOSFET。如圖3所示。

3 飛控?cái)?shù)據(jù)記錄器的軟件設(shè)計(jì)

3.1 飛控?cái)?shù)據(jù)記錄器軟件設(shè)計(jì)的總體框架

系統(tǒng)的軟件平臺(tái)核心為μC/OS－II，它是一個(gè)源碼公開的、占先式任務(wù)管理的實(shí)施操作系統(tǒng)內(nèi)核，已在相當(dāng)多的系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用，具有其性能穩(wěn)定、源碼公開的優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)通過μC/OS－II操作對(duì)系統(tǒng)的兩大功能任務(wù)進(jìn)行管理及其子任務(wù)間的調(diào)度：

1）基于NAND Flash的FAT16文件系統(tǒng)存儲(chǔ)。由于NAND Flash的物理特性：出廠之前可能存儲(chǔ)在壞塊以及操作過程中再次出現(xiàn)壞塊，擦除次數(shù)有限，頁讀塊擦除，寫之前需先擦除，存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)只能由1變0，為了有效的使用閃存，提高使用壽命和利用率，盡可能減少擦除次數(shù)，并且，擦除操作盡可能均勻分布在整個(gè)閃存上[3]。文中通過重新設(shè)計(jì)NAND Flash驅(qū)動(dòng)程序，支持均衡寫閃存和壞塊管理，為上層FAT文件管理軟件提供一個(gè)可靠的邏輯存儲(chǔ)設(shè)備。NAND Flash驅(qū)動(dòng)程序主要實(shí)現(xiàn)如下：①支持NAND Flash寫平衡。驅(qū)動(dòng)程序把編程操作分散到不同的物理扇區(qū)，使每個(gè)扇區(qū)的編程次數(shù)趨于相同，提高了閃存的壽命；②支持壞塊管理。驅(qū)動(dòng)程序會(huì)自動(dòng)記錄原始?jí)膲K和新產(chǎn)生的壞塊，提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。

圖3 主機(jī)接口電路Fig.3 Circuit of host interface

2）實(shí)現(xiàn)USB主機(jī)對(duì)U盤的讀寫。USB主機(jī)為實(shí)現(xiàn)U讀寫提供的功能有：①將測(cè)USB外設(shè)的接入和移出；②管理主機(jī)和外設(shè)之間進(jìn)行的USB標(biāo)準(zhǔn)流控制；③枚舉外設(shè)；④管理主機(jī)和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)流；⑤搜索系統(tǒng)狀態(tài)和性能的統(tǒng)計(jì)信息；⑥主機(jī)與外設(shè)之間的電氣接口，包括供電[4]。

3）USB協(xié)議規(guī)定了人機(jī)接口設(shè)備HID類、MassSorage類和音頻類等一系列的設(shè)備類型，用于支持不同的設(shè)備。根據(jù)應(yīng)用需要，開發(fā)了USB接口的海量存儲(chǔ)類設(shè)備。該系統(tǒng)支持熱插拔，可以識(shí)別插上是哪種設(shè)備，并調(diào)用對(duì)用的驅(qū)動(dòng)。

3.2 NAND Flash壞塊管理和均衡讀寫實(shí)現(xiàn)方法

1）NAND Flash文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為方便文件系統(tǒng)的移植，同時(shí)便于兼容更多的NAND Flash存儲(chǔ)器，將整個(gè)文件系統(tǒng)分為文件管理層（FAT）、存儲(chǔ)管理層（FFS）和NAND Flash驅(qū)動(dòng)層。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 NAND Flash文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 NAND Flash file system structure

文件管理層對(duì)文件系統(tǒng)進(jìn)行封裝，為應(yīng)用層提供統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的API接口，把用戶對(duì)文件的操作請(qǐng)求提交給文件邏輯層來處理。標(biāo)準(zhǔn)的文件操作函數(shù)有：FileOpen（）、FileClose（）、FileRead （）、FileWrite （）、FileSeek （）、RemoveFile （）、MakeDir（）、RemoveDir（）等[5]。

文件邏輯層為文件管理層提供服務(wù)，把文件管理層對(duì)文件的操作轉(zhuǎn)換為物理上的操作，均衡磨損控制，壞塊管理，并提交給Flash驅(qū)動(dòng)層處理。

Flash設(shè)備驅(qū)動(dòng)層實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash的物理操作，包括塊的擦出、頁面的寫入和讀出。它為文件系統(tǒng)和存儲(chǔ)器提供統(tǒng)一的接口，提高了存儲(chǔ)器的適應(yīng)能力。

2）NAND Flash壞塊管理算法

NAND Flash的每個(gè)扇區(qū)由數(shù)據(jù)區(qū)（主數(shù)據(jù)區(qū)）和備用數(shù)據(jù)區(qū)（附加數(shù)據(jù)區(qū)）組成。平衡讀寫驅(qū)動(dòng)使用數(shù)據(jù)區(qū)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，備用數(shù)據(jù)區(qū)存儲(chǔ)此扇區(qū)的屬性[4]。由于，第0塊的高可靠性，可以用來保存NAND Flash硬件信息，作為系統(tǒng)區(qū)，而其他作為數(shù)據(jù)區(qū)。上層FAT文件管理系統(tǒng)使用驅(qū)動(dòng)時(shí)，提供邏輯扇區(qū)號(hào)，但因?yàn)閴膲K和均衡磨損的要求，要經(jīng)過NAND Flash存儲(chǔ)管理層轉(zhuǎn)換為物理地址后才能訪問硬件層。

NAND Flash硬件信息的結(jié)構(gòu)體變量有一個(gè)成員BlockState數(shù)組，數(shù)組中每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)一個(gè)物理扇區(qū)。數(shù)組保存每一個(gè)物理塊的狀態(tài)，用物理扇區(qū)號(hào)訪問數(shù)組，就可得到物理塊的狀態(tài)。數(shù)組元素值有3個(gè)：BAD_BLOCK（壞塊）、FREE_BLOCK（未使用）、USR_BLOCK（已使用）。

3）均衡讀寫實(shí)現(xiàn)方法算法

均衡讀寫主要是把需要寫入Flash的數(shù)據(jù)編程到擦除次數(shù)的物理塊。核心操作為查找擦出次數(shù)最少的塊。因此，在構(gòu)建NAND Flash硬件信息的結(jié)構(gòu)體變量有一個(gè)成員BlockEaseSum數(shù)組，數(shù)組中每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)一個(gè)物理塊[5]。數(shù)組保存每一個(gè)物理塊的擦出次數(shù)，用物理塊號(hào)作為下標(biāo)讀取這個(gè)數(shù)組，就可以得到這個(gè)塊的擦出次數(shù)。當(dāng)數(shù)組成員的值為0xFFFFFFF時(shí)，表示此物理塊為壞塊。

3.3 USB Mass Storage類協(xié)議框架的實(shí)現(xiàn)

USB Mass Storage類是USB協(xié)議所定義的用來磁盤管理及大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。USB定義兩種海量存儲(chǔ)協(xié)議，它們分別是Buck-only Transport和 CBI Transport。目前市場(chǎng)上的海量存儲(chǔ)設(shè)備讀寫都采用塊傳輸來實(shí)現(xiàn)通信[6]，在命令包CBW包含了標(biāo)志信息，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度以及UFI命令等信息。其中UFI命令包含有格式化磁盤、讀磁盤、寫磁盤和讀磁盤容量等一系列磁盤管理命令。

大部分移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備都采用FAT文件系統(tǒng)來管理文件。整個(gè)文件系統(tǒng)通過Mass Storage的UFI命令與外設(shè)的磁盤建立聯(lián)系。 FAT文件系統(tǒng)將海量存儲(chǔ)設(shè)備上的數(shù)據(jù)大致分成5個(gè)部分：MBR 區(qū)（主引導(dǎo)區(qū)）、DBR 區(qū)（系統(tǒng)引導(dǎo)區(qū)）、FAT區(qū)（文件分配表）、FDT區(qū)（文件目錄表）和DATA區(qū)（數(shù)據(jù)區(qū)）。當(dāng)USB接口的海量存儲(chǔ)設(shè)備與主機(jī)連接后，系統(tǒng)讀取MBR區(qū)和DBR區(qū)來獲得每扇區(qū)字節(jié)數(shù)[7]，每簇扇區(qū)數(shù)，F(xiàn)AT表個(gè)數(shù)等文件系統(tǒng)基本信息。獲得這些基本信息后向海量存儲(chǔ)設(shè)備寫入一個(gè)文件的流程如圖5所示。

圖5 讀文件流程圖Fig.5 Process of reading file

4 結(jié)束語

在完成數(shù)據(jù)記錄器設(shè)計(jì)后，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，步驟如下：

1）將一個(gè)文件通過RS-422串口下載到數(shù)據(jù)記錄器中，并以FAT16格式保存；

2）通過本系統(tǒng)的USB主機(jī)接口與外部的U盤進(jìn)行連接，系統(tǒng)對(duì)U盤成功枚舉后，將數(shù)據(jù)記錄器存儲(chǔ)的文件保存到U盤中。

3）通過PC機(jī)對(duì)U盤中的文件進(jìn)行分析。一方面，PC可以識(shí)別U盤中的文件格式并可以打開；另一方面，通過文件比較軟件，將源文件和下載到U中的文件進(jìn)行比較，并計(jì)算誤碼率。

4）使用不同品牌的U盤，重復(fù)上述過程。

按照上述步驟，對(duì)各種大小、不同類型的文件，RS-422使用多種波特率，對(duì)飛控?cái)?shù)據(jù)記錄器進(jìn)行大量測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明上傳文件全部正確，誤碼率為零，且支持市面上絕大多數(shù)的U盤，從而證明飛控?cái)?shù)據(jù)記錄器設(shè)計(jì)方案正確和可行，完全擺脫了對(duì)PC機(jī)的依賴，方便無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)的卸載。

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