嵌入式車載設(shè)備中存儲系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)研究

魏峰+田錦

摘 要： 在此論述了嵌入式車載終端的存儲系統(tǒng)抗干擾設(shè)計方法。以車載終端在現(xiàn)實工作環(huán)境中所遇故障為例，分析溫度、文件系統(tǒng)、芯片質(zhì)量及存儲電路設(shè)計等幾種疑似故障原因并列出論證方法，通過改進NANDFLASH的設(shè)計電路，增加電容以保障存儲系統(tǒng)端口電壓從而達到穩(wěn)定電路的目的，可以方便地擴充到同類系統(tǒng)的設(shè)計方案中。在實際工作環(huán)境中，實驗證明了方案的有效性。

關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)； NANDFLASH； U?boot； BootStrap； 抗干擾

中圖分類號： TN911?34； TP368.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0052?03

0 引 言

近年來隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，在智能公交行業(yè)隨處可見嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品。常見的嵌入式Linux系統(tǒng)硬件是由微處理器、外圍存儲器、I/O系統(tǒng)以及外設(shè)組成，南京普天研發(fā)生產(chǎn)的CPVD?IV型智能調(diào)度設(shè)備采用AT91SAM9260為主控芯片，以三星公司生產(chǎn)的64 MB的K9F1208UOD作為NANDFLASH，以K4s561632J為SDRAM所組成的一套嵌入式系統(tǒng)方案。

公交車載設(shè)備由于工作環(huán)境復(fù)雜，受溫度、車況、電源和道路等條件影響故障幾率很高。針對在商業(yè)使用初期出現(xiàn)的問題以及造成的干擾，歷經(jīng)各種方案分析和實驗驗證，從而確定故障的問題所在并進行集成電路的改進和完善。

1 嵌入式系統(tǒng)啟動過程分析

嵌入式設(shè)備開機后BootStrap引導(dǎo)加載NANDFLASH中U?boot程序，然后解壓Linux內(nèi)核，啟動文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序，從而使終端進入工作狀態(tài)[1]。

1.1 Bootstrap啟動過程

AT91SAM9260具有片內(nèi)和片外2種引導(dǎo)方式，由于本系統(tǒng)采用外部NANDFLASH引導(dǎo)，所以設(shè)置BMS=0；系統(tǒng)上電后，MCU會自動將NANDFLASH的前4 KB代碼（Bootstrap）拷貝到SRAM中運行[2]。Bootstrap首先進入main（）函數(shù)中執(zhí)行hw_init（）初始化硬件：關(guān)閉看門狗器件，避免因為初始化硬件造成無法喂狗而頻繁重啟，然后配置相關(guān)的PLL頻率，使能I?Cache，配置相關(guān)的PIOS，使管腳輸出合適的電平啟動周圍外設(shè)，并進一步配置Matrix，算法流程圖1所示。

部分代碼如下：

/* Disable watchdog */

writel（AT91C_WDTC_WDDIS， AT91C_BASE_WDTC + WDTC_WDMR）；

/* Configure PLLA = MOSC * （PLL_MULA + 1） / PLL_DIVA */

pmc_cfg_plla（PLLA_SETTINGS， PLL_LOCK_TIMEOUT）；

/* Switch MCK on PLLA output PCK = PLLA = 2 * MCK */

pmc_cfg_mck（MCKR_SETTINGS， PLL_LOCK_TIMEOUT）；

/* Configure PLLB */

pmc_cfg_pllb（PLLB_SETTINGS， PLL_LOCK_TIMEOUT）；

圖1 Bootstrap啟動流程圖

初始化硬件后，調(diào)用load_NANDFLASH（IMG_ADDRESS， IMG_SIZE， JUMP_ADDR）函數(shù)從內(nèi)存空間中調(diào)用U?boot映像到JUMP_ADDR地址中運行。函數(shù)參數(shù)定義如下：

#define IMG_ADDRESS 0x20000

/* Image Address in NANDFLASH */

#define IMG_SIZE 0x30000

/* Image Size in NANDFLASH */

#define MACH_TYPE 0x44B

/* AT91SAM9260?EK */

#define JUMP_ADDR 0x23F00000

/* Final Jump Address */

對于BootStrap的大小，根據(jù)AT91SAM9260芯片內(nèi)存空間設(shè)置的大小，限制在4 KB大小，SRAM空間大小分配[3]如圖2所示。

圖2 AT91SAM9260內(nèi)存分配圖

1.2 U?boot啟動過程分析

U?boot加載后，主要分成兩個階段來啟動：第一段進入Start.S用匯編語言實現(xiàn)MCU體系結(jié)構(gòu)的設(shè)備初始化；第二階段進入start_armboot（） 用C語言來實現(xiàn)外圍所用到的硬件體系，并在do_bootm（）中執(zhí)行do_bootm_Linux（）來調(diào)用Linux內(nèi)核。

2 NANDFLASH系統(tǒng)設(shè)計方案

NANDFLASH作為智能調(diào)度設(shè)備的主體部分，存儲大部分數(shù)據(jù)信息和引導(dǎo)開機程序鏡像，能否正常工作非常重要。K9F1208為三星公司出產(chǎn)的64 MB的NANDFLASH，在商業(yè)領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，為Atmel公司設(shè)計的標配方案選擇芯片。芯片管腳圖如圖3所示，主要數(shù)據(jù)線[4]是：

[RE]：連接MCU的NANDOE管腳，控制NANDFLASH讀使能；

[WE]：連接MCU的NANDWE管腳，控制NANDFLASH寫使能；

[RB]：NANDFLASH讀/忙控制管腳，連接MCU的PC13管腳，并通過10 KΩ上拉電阻接入3.3 V電壓。

圖3 NANDFLASH管腳圖

3 故障現(xiàn)象及理論分析

在產(chǎn)品應(yīng)用初期，現(xiàn)場開機工作時候出現(xiàn)故障：LCD顯示屏出現(xiàn)“白屏”現(xiàn)象，無任何顯示信息，且串口無任何調(diào)試信息；而同一產(chǎn)品在實驗室啟動正常，能顯示諸如gprs，gps等圖標。此故障占設(shè)備總數(shù)的30%，嚴重地阻礙了產(chǎn)品的交付使用。從使用環(huán)境、芯片質(zhì)量和電路設(shè)計等方面分析出現(xiàn)此類故障原因有以下幾種：

3.1 高溫導(dǎo)致系統(tǒng)工作不正常

由于公交車工作環(huán)境比較惡劣，顛簸比較厲害，而且夏季太陽高溫直曬，很容易造成設(shè)備故障。認為高溫是故障的原因之一，理由如下：

（1） 車載設(shè)備出現(xiàn)故障高發(fā)原因在6月以后，為夏季高溫時間，且設(shè)備很容易受太陽直射；

（2） 車載設(shè)備安裝位置靠近發(fā)動機位置，發(fā)動機工作致使車蓋位置溫度燙手；

（3） 由于防水的原因，設(shè)備外殼采用鋁制外殼，結(jié)實且密不透風(fēng)，很容易將外面高溫導(dǎo)入設(shè)備內(nèi)部；

（4） 經(jīng)測試高溫時設(shè)備內(nèi)部達到60 ℃左右，有可能造成MCU無法正常工作。

針對高溫問題，分別采取以下措施和方法驗證：

（1） 修改設(shè)備安裝位置，遠離發(fā)動機、水箱和光照強的地方，避免高溫傳導(dǎo)造成設(shè)備內(nèi)問題提升；

（2） 進行高溫實驗，隨機抽取10～20臺設(shè)備連續(xù)高溫24 h以上驗證超高溫后能否正常工作。

經(jīng)連續(xù)3個批次高溫驗證，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 高溫老化測試數(shù)據(jù)

經(jīng)實驗數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論，過高溫可以出現(xiàn)部分延遲啟動但不是出現(xiàn)此類故障原因的主要問題，此原因排除。

3.2 YAFFS2文件系統(tǒng)存在BUG

YAFFS2文件系統(tǒng)具有可讀/寫、能夠識別并標識 NANDFLASH壞塊的功能，如果判別存儲器為壞的情況下工作不會正常。針對此類問題專門撰寫一個針對數(shù)據(jù)的循環(huán)打開讀/寫的程序來驗證設(shè)備，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過3 h以上的不斷循環(huán)讀/寫后，在串口終端會發(fā)出NANDFLASH出現(xiàn)大量“bad block…”等信息，并使系統(tǒng)無法正常啟動。由于啟動信息會出現(xiàn)，不是需要解決的故障原因。通過破壞性測試檢測出YAFFS2文件系統(tǒng)的脆弱性，此版本軟件無法長時間進行讀/寫，此后修改為可讀/寫的JFFS2文件系統(tǒng)[5]，避免了因為大量壞塊信息導(dǎo)致無法對NANDFLASH進行讀/寫的YAFFS2的BUG。

3.3 NANDFLASH質(zhì)量不過關(guān)

針對此類問題，對出現(xiàn)故障設(shè)備采取更換NANDFLASH措施，實驗效果如舊，經(jīng)同類比較此原因排除。

3.4 電路抗干擾能力不強

針對上述原因排除，將注意力轉(zhuǎn)到集成電路本身，由于電路屬于Atmel經(jīng)典設(shè)計方案，經(jīng)過全世界無數(shù)生產(chǎn)廠家使用驗證不存在設(shè)計方案錯誤問題，只能根據(jù)代碼走向流程來進行大膽假設(shè)，認為NANDFLASH根本工作。針對這種問題，輸入不同電源電壓，比較不同結(jié)果，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 嵌入式系統(tǒng)電源供給效果顯示

根據(jù)不同電壓數(shù)據(jù)可以得出，提升電源電壓后嵌入式系統(tǒng)穩(wěn)定工作，與設(shè)備工作現(xiàn)場故障現(xiàn)象相似。根據(jù)公交公司反饋情況最后得出由于公交車蓄電池老化，導(dǎo)致電池供電不穩(wěn)，為故障的主要原因。在于蓄電池從逐漸啟動到正常供電過程中，由于過程漫長而NANDFLASH由于已經(jīng)處在故障狀態(tài)，導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)無法正常工作。

4 FLASH電路改進及測試結(jié)果分析

由上述理論研究和實驗結(jié)果可以證明，改變NANDFLASH供給電源成為主要的解決問題的關(guān)鍵。分析AT91SAM9260與NANDFLASH連接的管腳，當[RB]輸入的電平為高時可以從NANDFLASH讀數(shù)據(jù)，為低則存儲器處于忙狀態(tài)，系統(tǒng)無法讀取數(shù)據(jù)，處于錯誤狀態(tài)，此為問題所在。解決問題關(guān)鍵在于解決[RB]電平干擾，采取外接100 pF電容方案能夠解決電壓故障，并通過電容充電可以使系統(tǒng)啟動正常[6]，電路如圖4所示。

圖4 NANDFLASH保護電路圖

保護電路修改后，模擬現(xiàn)場電池環(huán)境供給，串口輸出：

Start AT91Bootstrap...

顯示已經(jīng)MCU已經(jīng)從NANDFLASH讀出數(shù)據(jù)并串口輸出，電路修改正常。

5 創(chuàng)新點

通過MCU的控制端口直接與NANDFLASH外圍管腳相連是通用標準電路，本方案通過修改NANDFLASH的外圍控制電路，增加[RB]管腳電壓控制保護，從而達到消除系統(tǒng)電源不穩(wěn)定狀態(tài)下的干擾問題。

6 結(jié) 語

本文以智能車載產(chǎn)品為基礎(chǔ)，討論并解決在實際工作中嵌入式系統(tǒng)設(shè)備所出現(xiàn)的穩(wěn)定性問題。為了進行更深入的研究和開發(fā)，還需要對嵌入式系統(tǒng)的底層驅(qū)動和功能進行開發(fā)，以便實現(xiàn)更多的功能。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)中存儲技術(shù)應(yīng)用必將更穩(wěn)定，并在智能交通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻

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[4] Anon.ARM的啟動代碼（2）：AT91SAM9260啟動詳解 [EB/OL].[2011?08?23].http：//blog.csdn.net/coolbacon/article.

[5] 宋寶華.Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2008.

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