一種固態(tài)飛行參數(shù)記錄儀的研制

韓勇豪，王少云

（1.南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.南京航空航天大學(xué) 無人機研究院，江蘇 南京 210016）

機載飛行數(shù)據(jù)記錄儀常被稱作黑匣子（FDR），它是記錄飛機飛行過程中各種狀態(tài)參數(shù)的高性能機載電子設(shè)備。能在飛機飛行過程中實時監(jiān)測并記錄飛機飛行狀態(tài)及各種機載設(shè)備的性能和使用情況。飛行完畢后可將存貯在記錄介質(zhì)上的數(shù)據(jù)進行下載回放，以便對其研究，可為飛行試驗，飛機維護和改進提供強有力的支持。

隨著科技的迅速發(fā)展，機載飛行數(shù)據(jù)記錄儀也在不斷更新?lián)Q代。20世紀(jì)60年代問世的黑匣子（FDR）只能記錄5個參數(shù)，誤差較大。70年代開始使用數(shù)字記錄磁帶，能記下100多種參數(shù)，保存最后25 h的飛行數(shù)據(jù)。90年代后隨著超大規(guī)模集成電路，微處理器，數(shù)據(jù)采集技術(shù)，數(shù)據(jù)總線技術(shù)的高速發(fā)展，機載飛行數(shù)據(jù)記錄儀普遍運用固態(tài)記錄儀[1]。記錄儀的記錄容量不斷增大，記錄數(shù)據(jù)越來越多，機載飛行數(shù)據(jù)記錄儀除了用于飛行事故分析外，還廣泛用于飛行安全，飛行維護管理以及飛行訓(xùn)練管理等。若對飛行數(shù)據(jù)進行深入挖掘，還可為飛機的地面維護，故障分析，訓(xùn)練效果與作戰(zhàn)性能進行深入評估。根據(jù)某航空設(shè)備的實際需求，筆者將探討如何研制一種具有大容量、高速數(shù)據(jù)接口及系統(tǒng)總線接口的飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成

筆者所設(shè)計的飛行參數(shù)記錄儀具備以下功能：

1）采用機載系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)總線的能力 傳統(tǒng)飛行參數(shù)記錄儀總線有RS422、RS485及ARN1C429，本系統(tǒng)采用成熟的RS422總線作為系統(tǒng)總線。

2）具備大存儲容量 現(xiàn)代飛行參數(shù)記錄儀普遍采用固態(tài)存儲介質(zhì)存儲飛行數(shù)據(jù)，固態(tài)存儲介質(zhì)的種類繁多，常用的固態(tài)存儲介質(zhì)包括：SDRAM、NORflash、NANDflash、CF 卡等。與其他大容量固態(tài)存儲介質(zhì)相比，NANDflash具有存儲方式簡單、成本低并且可以通過串聯(lián)或并聯(lián)來增加數(shù)據(jù)容量等特點。因此，本系統(tǒng)采用NANDflash作為飛行數(shù)據(jù)記錄儀的存儲介質(zhì)。

3）便利的數(shù)據(jù)導(dǎo)出接口 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出接口常采用RS422作為與PC機的通信接口，但其具有數(shù)據(jù)傳輸速率低，錯誤概率高等缺點。結(jié)合實際應(yīng)用需求，筆者采用USB接口作為與PC機的通信接口，使得本系統(tǒng)可與其他系統(tǒng)輕松實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享，解決了以往飛參數(shù)據(jù)卸載過程復(fù)雜，卸載時間長的缺點。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of flight parameter recording system

本系統(tǒng)主要模塊有：SRAM緩存模塊、大容量數(shù)據(jù)存儲模塊、USB數(shù)據(jù)接口模塊。

SRAM緩存模塊緩存飛控計算機通過RS422總線傳送至FPGA的各類飛行參數(shù)，總線數(shù)據(jù)經(jīng)過緩存后由FPGA控制寫入大容量數(shù)據(jù)模塊中。大容量數(shù)據(jù)模塊采用NANDFlash串聯(lián)方式，共串接9個NANDFlash，使整個固態(tài)飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)容量達到72 G。當(dāng)完成數(shù)據(jù)記錄后可將固態(tài)記錄儀與PC機相連，通過USB接口進行數(shù)據(jù)卸載、處理及顯示。

2 芯片選擇

本系統(tǒng)所涉及的存儲芯片采用三星公司的NANDFlash芯片K9F8G08U0M。它的外部接口速度為40 MHz，接口位寬為8位。每個芯片包含4 096塊，每塊包括64頁，每頁共有4 224字節(jié)，總存儲容量為8 G[2]。

核心控制芯片采用ALTERA公司的EP1C6Q240C8N，它有著豐富的觸發(fā)器和IO口，非常適合作為NANDFlash陣列的控制器。

USB數(shù)據(jù)接口采用USB2.0協(xié)議，它向下兼容USB1.1協(xié)議，數(shù)據(jù)的最高傳輸速率提高到 480 Mb/s，為了滿足USB傳輸速度較高的需要，選擇Cypress公司的內(nèi)置USB接口微控制器芯片CY7C68031作為USB芯片，芯片內(nèi)部集成了一個具有8.5 kB片上RAM的增強型8051單片機、4 kB FIFO存儲器、通用可編程接口（GPIF），串行接口引擎（SIE）和USB2.0收發(fā)器[3]。

采用IS61LV25616芯片作為SRAM緩存芯片，其具有4 M容量且讀寫方便，適合作為雙緩存RAM使用。

3 重要模塊設(shè)計

3.1 SRAM乒乓緩存

由于RS422總線速率比FPGA寫NANDFlash速率低，為了速率匹配，采用SRAM進行雙緩存處理。將4 M字節(jié)的SRAM分為2塊，每塊為2 M字節(jié)。首先將RS422總線傳送來的數(shù)據(jù)存入其中一塊中，數(shù)據(jù)寫滿后設(shè)置滿標(biāo)志，F(xiàn)PGA讀取SRAM中的數(shù)據(jù)，并寫入NANDFlash后清除該標(biāo)志，兩塊RAM交替進行，保證數(shù)據(jù)的讀寫操作。SRAM兵乓緩存讀寫如圖2所示。

3.2 NANDFlash動態(tài)壞塊管理策略

NANDFlash內(nèi)部有隨機分布的壞塊，需建立壞塊信息管理表，對NANDFlash的操作都要基于此壞塊信息統(tǒng)計表[4]。本文提出一種動態(tài)壞塊管理思想屏蔽NANDFlash中出現(xiàn)的壞塊。

圖2 SRAM乒乓緩存流程圖Fig.2 Flow diagram of SRAM ping-pong cache

動態(tài)壞塊管理算法的思想在于：在對NANDFlash進行擦除、寫入操作，當(dāng)NANDFlash存儲空間出現(xiàn)壞塊時，采取動態(tài)壞塊管理算法標(biāo)記壞塊，將壞塊放入映射表的壞塊區(qū)，從系統(tǒng)預(yù)留的替換塊區(qū)選擇一個好塊，代替壞塊進行操作；同時，更新邏輯—物理塊地址映射表。

動態(tài)壞塊管理算法的一大特色在于使用交換塊，將所有對已用塊的寫入操作都改為對交換塊的操作，非常有利于NANDFlash存儲空間的管理及邏輯—物理地址映射表的更新。

動態(tài)壞塊管理算法以zone為單位，每512個塊劃分為一個zone，每個zone建立一張邏輯—物理塊地址映射表，并將映射表劃分為：

1）數(shù)據(jù)區(qū) 用于存儲數(shù)據(jù)、系統(tǒng)應(yīng)用程序等，用作數(shù)據(jù)區(qū)的塊都是好塊。

2）交換塊 所有對已用塊的寫入操作均改為對交換塊的寫入，交換塊同時起著在更新映射表時防止掉電情況發(fā)生，保存原始的映射表，在更新NANDFlash中映射表完成后，再將舊表擦除，可以有效地應(yīng)對掉電情況。

3）替換塊 替換塊用于當(dāng)寫入塊是一個壞塊時，可以從替換塊中找一個空塊，代替壞塊進行編程操作，替換塊數(shù)量可以由軟件設(shè)定，一般壞塊數(shù)量不會超過總量的2%。

4）壞塊區(qū) 壞塊區(qū)用于存放初始上電掃描發(fā)現(xiàn)的壞塊以及使用過程中出現(xiàn)的壞塊。在映射過程中將壞塊放在映射表的最后。

3.2.1 建立壞塊統(tǒng)計表

根據(jù)所使用芯片的特點，可將NANDFlash劃分為8個zone，每個zone包含512個塊，統(tǒng)計每個zone的壞塊信息。

壞塊信息包括每個zone的壞塊數(shù)量，壞塊分布等，是進行壞塊標(biāo)記的依據(jù)和地址映射的相關(guān)憑證。所以動態(tài)壞塊管理算法的第一步就是建立每個zone的壞塊信息統(tǒng)計表。壞塊統(tǒng)計流程如圖3所示。

圖3 壞塊統(tǒng)計流程圖Fig.3 Flow diagram of bad block statistics

3.2.2 建立邏輯—物理塊地址映射表

地址轉(zhuǎn)換是NANDFlash邏輯驅(qū)動需要完成的重要任務(wù)之一。動態(tài)壞塊管理最主要的思想在于：在對zone為單位進行邏輯—物理塊地址進行映射時，將整個zone空間劃分為數(shù)據(jù)區(qū)、交換塊區(qū)、替換塊區(qū)和壞塊區(qū)。動態(tài)壞塊管理算法中地址映射與傳統(tǒng)地址映射最大的不同就是增加了交換塊區(qū)和替換塊區(qū)。

根據(jù)所用芯片的特點將交換塊數(shù)量設(shè)為1、替換塊數(shù)量設(shè)為 20、數(shù)據(jù)區(qū)塊數(shù)量=512－1－20－壞塊區(qū)數(shù)量，其中壞塊區(qū)數(shù)量根據(jù)壞塊統(tǒng)計表信息所得。

動態(tài)壞塊管理算法將壞塊放到映射表最后，采取每發(fā)現(xiàn)一個壞塊，對應(yīng)地址遞減的方法實現(xiàn)壞塊區(qū)的地址映射。為此，建立一個lookuptable[512]數(shù)組來映射NAND Flash的一個zone空間，數(shù)組元素由兩個字節(jié)組成，如圖4所示。

圖4 邏輯－物理地址映射Fig.4 Logical-physical address mapping

建立邏輯—物理地址映射表：

1）初始化 lookuptable[512]數(shù)組，將數(shù)組元素初始化為0x00；

2）根據(jù)壞塊統(tǒng)計表信息映射邏輯—物理地址，依次映射數(shù)據(jù)塊、交換塊、替換塊和壞塊；

3）當(dāng)?shù)?n（n=1～8）個 zone的邏輯—物理地址映射完成后，將此映射表燒寫到此zone替換塊的第一個物理塊上，并將此物理地址燒寫入NANDFlash的第一個塊的第n（n=1～8）個page中。

3.2.3 更新邏輯—物理塊地址映射表

更新邏輯—物理塊地址映射表是NANDFlash動態(tài)壞塊管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)對一個zone進行操作時，主控器件首先將燒寫入NANDFlash的邏輯—地址塊地址映射表讀入RAM中，并根據(jù)邏輯—物理塊地址映射表對NANDFlash進行讀寫操作。讀寫數(shù)據(jù)發(fā)生如下情況時需要更新邏輯—物理塊地址映射表：

1）當(dāng)發(fā)生寫入、擦除失敗時，即產(chǎn)生壞塊，從替換塊中提取一個塊，將壞塊的邏輯地址賦給用來代替壞塊的替換塊，并將替換塊的塊屬性設(shè)為“00”，對替換塊寫入數(shù)據(jù)，將塊是否使用標(biāo)記設(shè)為“1”。同時將壞塊的塊屬性設(shè)為“11”，將壞塊的邏輯地址對應(yīng)到地址映射表的壞塊區(qū)。

2）如果并無發(fā)生壞塊替換，而將寫入數(shù)據(jù)的塊是已用塊時，使用交換塊代替已用塊進行寫入操作，并將交換塊地址映射到數(shù)據(jù)塊中，擦除此已用塊，將其作為新的交換塊。

3）最后，當(dāng)寫完一個塊后，更新RAM中的映射表，達到動態(tài)的映射地址更新。

當(dāng)對整個zone操作完成后，系統(tǒng)自動更新NANDFlash中存儲的映射表，更新映射表也是通過交換塊實現(xiàn)，先將舊的映射表存入交換塊，再將新的映射表寫入NANDFlash的第一塊中[5]，最后擦除舊映射表，達到了防止掉電情況下映射表丟失的情況。映射表更新如圖5所示。

圖5 映射表更新示意圖Fig.5 Schematic of logical-physical address map update

3.3 USB接口設(shè)計

USB接口采用slave FIFO方式與PC機進行通信[6]。USB控制器電路如圖6所示。

4 實驗結(jié)果

根據(jù)上述方案實現(xiàn)的機載飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)在實際測試中NANDFlash的讀寫速度穩(wěn)定在25 Mb/s，USB的飛行參數(shù)卸載速度達到230 Mb/s，能有效實現(xiàn)飛行參數(shù)的記錄及回放工作，且能有效屏蔽NANDFlash中存在的壞塊，大大提高存儲數(shù)據(jù)的有效性。

5 結(jié)束語

本文詳細介紹了基于固態(tài)存儲器的大容量機載飛行參數(shù)記錄儀的實現(xiàn)方法，實踐表明該飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)在存儲容量及存儲有效性方面都達到系統(tǒng)的設(shè)計要求。另外，這種飛行參數(shù)記錄儀為飛行參數(shù)卸載提供極大的方便，可在短時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)卸載任務(wù)，從而縮短飛行器再次出動的準(zhǔn)備時間，在航空應(yīng)用中具有良好的前景。

圖6 USB控制器電路Fig.6 USB controller circuit

[1]Folio R J，Corp H.Hart C L.Expected applications of the harris solid state compressive recorder（SSCR）to multispectral space-based imageprocessing[J].Porc.SPIE，1997 （3119）：125-132.

[2]Samsung.Samsung NAND Flash Memory，Memory Product&Technology Division[EB/OL].（2000-03-15）.http://wenku.baidu.com/view/3827f4d7195f312b3169a539.html.

[3]EZ-USB FX2 technical reference manual version 2.0[M/CD].Copress Semionductor Corp data book，2001.

[4]李超，王虹現(xiàn)，邢孟道.高速大容量FLASH存儲系統(tǒng)設(shè)計[J].火控雷達技術(shù)，2007，3（1）：82-88.

LI Chao， WANG Hong-xian， XING Meng-dao.Design of a flash storage with high speed and large capacity[J].Fire Control Radar Technology，2007，3（1）:82-88.

[5]寧飛.大容量存儲中NAND Flash壞塊的管理方法[J].電子測試，2010（12）：64-68.

NING Fei. Management method of NAND flash ineffectiveness block in high capacity storage[J].Electronic Test， 2010（12）:64-68.

[6]汪慶，周鳳星.基于USB接口便攜式數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計[J].微計算機信息，2006，22（31）：142-144.

WANG Qing，ZHOU Feng-xing.Designofconvenient instrument of data acquisition based on USB interface[J].Control&Automation， 2006，22（31）：142-144.