基于嵌入式USB主机的飞控数据记录器设计及实现

樊文侠，房 壮

（西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710032）

飞行数据记录系统对保障飞机的日常飞行训练，分析飞行事故，评估飞行训练质量都发挥了极其重要的作用。但是，当前的飞行数据记录器的缺点十分明显，主要反映在以下几点：

1）体积大、重量大、功耗大的缺点；

2）地面PC通过RS232串口卸载数据记录器中的数据，存在卸载速度慢，无法脱离PC的应用环境，给现场卸载数据带来了不便；

3）地面PC需要安装相应的数据卸载软件，导致数据记录器移动性差。

随着USB接口技术的成熟和USB移动存储设备的普及，如果在飞行数据记录器集成USB主机接口，飞行数据记录器可以与USB大容量存储设备（如U盘）之间直接通信，摆脱了只能通过PC来进行相互的文件和数据交换，提高了数据卸载速度，实现了飞行数据卸载的灵活移动。

根据具体飞行数据器的实际需要，研究设计了一种新型飞行数据固态记录器，通过RS232接口接收机载数据，并以BIN文件格式保存到NAND Flash海量存储芯片上，数据记录器通过USB主机接口与大容量设备进行文件和数据交换，完成数据卸载的任务。

1 飞行数据记录器的工作原理和整体设计

飞控数据记录器用于记录无人机在飞行过程中的飞行参数，首先接收RS422串口数据并以BIN文件格式记录在海量存储器中，待飞机返回地面后数据以一定的文件格式转存到USB大容量存储设备中，并可以在PC机上根据需要分析数据。工作流程如下：

1）通过RS422接收数据 ARM控制器在完成系统初始化和构建FAT16文件系统后，默认进入接收RS422端口的数据状态，飞行参数按照BIN文件的格式保存到NAND Flash存储器中。

2）通过USB接口卸载数据 当USB设备插入主机体统上后，由USB主控器通过外部中断信号来通知ARM控制器，ARM控制器与USB主控器完成设备的枚举、配置等操作后，将存储在NAND Flash存储器的飞行参数文件卸载到U盘。模块的硬件结构图如图1所示。

2 硬件层设计

2.1 系统主要硬件选型

图1 USB数据记录器结构框图Fig.1 USB data recorder configuration diagram

从图1可知，USB飞控数据记录器可以细分为ARM微处理器、USB主机控制器、NAND Flash大容量存储器。ARM微处理和USB主机控制器共同实现了USB功能，USB主机控制器为移动存储设备提供接口，并实现部分的底层USB协议；大容量存储器是存储飞行数据的设备。

1）微控制器：选用 NXP公司的 ARM7TDMAI处理器LPC2214主要优点：低功耗，采用3.3 V供电，内核电压1.8 V；主频高，运行频率达到60 MHz，拥有256 kB片内的Flash编程存储器，16 kB SRAM；－40～85℃的工作范围满足数据记录器的工作条件[1]。

2）USB主机接口:PHILIPS公司的ISP1161A1是一个单片通用串行总线（USB）主机控制器（HC）和设备控制器（DC）。ISP1161A1的主机控制器符合串行总线2.0规范，支持全速（12 Mbit/s）和低速（1.5 Mbit/s）的数据传输。 ISP1161A1 提供两个下行端口，每个下行端口都有一个过流（OC）检测输入及电源快关控制输出引脚[2]。

3）FlASH：由于记录器要存储容量至少达到128 MB，从而选用SASUNG公司的NANDFLASH K9F1G08U0M，其实际的存储容量高达128 MB+4 MB，其中4 MB为备用空间；－40～85℃的工作范围满足数据记录器的工作条件；供电3.3 V，功耗低，可以和LPC2214芯片使用同一个3.3 V稳压电源，简化了电源电路的设计。

4）片外RAM扩展：由于需要在飞控数据记录器构建USB主机协议栈、FAT16文件系统，对系统的内存开销很大，LPC2214的自身16 k已无法满足要求，需要向片外扩展RAM，选择 8 MB 的 PSRAM（MT45W4MW16），16位总线接口系统硬件电路的设计。

2.2 硬件电路设计

飞控数据记录器的硬件部分结构如图1所示，主要由ARM最小系统，用于存放飞行参数的片外NAND Flash存储电路、RS-422接口电路、USB主机接口、片外SRAM扩展电路五部分构成。本文主要介绍NAND Flash存储电路和USB主机部分的电路。

1）NAND Flash 存储电路

将CPU的总线读写信号/OE和/WE分别与静态存储器的片选信号线/CS0相或之后作为NAND FLASH的读写信号，这样做的一个好处是当以后扩展新功能时，/OE和/WE的状态不会影响NAND FLASH的读写信号。而NAND FLASH的片选信号/CE通过CPU的IO口P4.22进行控制。7管脚接上拉电阻使该FLASH处于就绪状态，同时将忙信号通过P4.23反馈给LPC2214。命令锁存使能、地址锁存使能信号分别与地址线A21、A20相连。这样连接的一个主要原因是，所有的CPU管脚都在一起，方便PCB板的布线。NAND FLASH的连线如图2所示。

图2 NAND Flash存储电路Fig.2 Circuit of NAND Flash storage

2）USB主机接口电路

当USB设备与主机连接或断开时，会产生大电流也就是浪涌，因此需要设计一个过流保护电路。ISP1161A1主机芯片的VCC接到5V电源时，内部过流检测电路被使能。当芯片检测到一个过流状态时，将关闭下行端口Vbus的5 V电源。当处于非过流状态时，将打开Vbus的5 V电源。在设计中，用一个P－沟道MOSFET作为Vbus电源开关。用一个P－沟道MOSFET的源极与5 V电源连接，Vbus接源级和H_PSWn接闸级。漏极与源级上的压降，为过流检测电压（VOC）。当VOC标称的电压阀值H_PSWn将输出高电平，关闭P－沟道MOSFET。如图3所示。

3 飞控数据记录器的软件设计

3.1 飞控数据记录器软件设计的总体框架

系统的软件平台核心为μC/OS－II，它是一个源码公开的、占先式任务管理的实施操作系统内核，已在相当多的系统中得到成功应用，具有其性能稳定、源码公开的优点。

系统通过μC/OS－II操作对系统的两大功能任务进行管理及其子任务间的调度：

1）基于NAND Flash的FAT16文件系统存储。由于NAND Flash的物理特性：出厂之前可能存储在坏块以及操作过程中再次出现坏块，擦除次数有限，页读块擦除，写之前需先擦除，存储器中的数据只能由1变0，为了有效的使用闪存，提高使用寿命和利用率，尽可能减少擦除次数，并且，擦除操作尽可能均匀分布在整个闪存上[3]。文中通过重新设计NAND Flash驱动程序，支持均衡写闪存和坏块管理，为上层FAT文件管理软件提供一个可靠的逻辑存储设备。NAND Flash驱动程序主要实现如下：①支持NAND Flash写平衡。驱动程序把编程操作分散到不同的物理扇区，使每个扇区的编程次数趋于相同，提高了闪存的寿命；②支持坏块管理。驱动程序会自动记录原始坏块和新产生的坏块，提高数据存储的可靠性。

图3 主机接口电路Fig.3 Circuit of host interface

2）实现USB主机对U盘的读写。USB主机为实现U读写提供的功能有：①将测USB外设的接入和移出；②管理主机和外设之间进行的USB标准流控制；③枚举外设；④管理主机和外设之间的数据流；⑤搜索系统状态和性能的统计信息；⑥主机与外设之间的电气接口，包括供电[4]。

3）USB协议规定了人机接口设备HID类、MassSorage类和音频类等一系列的设备类型，用于支持不同的设备。根据应用需要，开发了USB接口的海量存储类设备。该系统支持热插拔，可以识别插上是哪种设备，并调用对用的驱动。

3.2 NAND Flash坏块管理和均衡读写实现方法

1）NAND Flash文件系统的结构设计

为方便文件系统的移植，同时便于兼容更多的NAND Flash存储器，将整个文件系统分为文件管理层（FAT）、存储管理层（FFS）和NAND Flash驱动层。结构如图4所示。

图4 NAND Flash文件系统结构图Fig.4 NAND Flash file system structure

文件管理层对文件系统进行封装，为应用层提供统一的、标准的API接口，把用户对文件的操作请求提交给文件逻辑层来处理。标准的文件操作函数有：FileOpen（）、FileClose（）、FileRead （）、FileWrite （）、FileSeek （）、RemoveFile （）、MakeDir（）、RemoveDir（）等[5]。

文件逻辑层为文件管理层提供服务，把文件管理层对文件的操作转换为物理上的操作，均衡磨损控制，坏块管理，并提交给Flash驱动层处理。

Flash设备驱动层实现对Flash的物理操作，包括块的擦出、页面的写入和读出。它为文件系统和存储器提供统一的接口，提高了存储器的适应能力。

2）NAND Flash坏块管理算法

NAND Flash的每个扇区由数据区（主数据区）和备用数据区（附加数据区）组成。平衡读写驱动使用数据区存储数据，备用数据区存储此扇区的属性[4]。由于，第0块的高可靠性，可以用来保存NAND Flash硬件信息，作为系统区，而其他作为数据区。上层FAT文件管理系统使用驱动时，提供逻辑扇区号，但因为坏块和均衡磨损的要求，要经过NAND Flash存储管理层转换为物理地址后才能访问硬件层。

NAND Flash硬件信息的结构体变量有一个成员BlockState数组，数组中每一个元素对应一个物理扇区。数组保存每一个物理块的状态，用物理扇区号访问数组，就可得到物理块的状态。数组元素值有3个：BAD_BLOCK（坏块）、FREE_BLOCK（未使用）、USR_BLOCK（已使用）。

3）均衡读写实现方法算法

均衡读写主要是把需要写入Flash的数据编程到擦除次数的物理块。核心操作为查找擦出次数最少的块。因此，在构建NAND Flash硬件信息的结构体变量有一个成员BlockEaseSum数组，数组中每一个元素对应一个物理块[5]。数组保存每一个物理块的擦出次数，用物理块号作为下标读取这个数组，就可以得到这个块的擦出次数。当数组成员的值为0xFFFFFFF时，表示此物理块为坏块。

3.3 USB Mass Storage类协议框架的实现

USB Mass Storage类是USB协议所定义的用来磁盘管理及大容量数据传输的。USB定义两种海量存储协议，它们分别是Buck-only Transport和 CBI Transport。目前市场上的海量存储设备读写都采用块传输来实现通信[6]，在命令包CBW包含了标志信息，数据长度以及UFI命令等信息。其中UFI命令包含有格式化磁盘、读磁盘、写磁盘和读磁盘容量等一系列磁盘管理命令。

大部分移动存储设备都采用FAT文件系统来管理文件。整个文件系统通过Mass Storage的UFI命令与外设的磁盘建立联系。 FAT文件系统将海量存储设备上的数据大致分成5个部分：MBR 区（主引导区）、DBR 区（系统引导区）、FAT区（文件分配表）、FDT区（文件目录表）和DATA区（数据区）。当USB接口的海量存储设备与主机连接后，系统读取MBR区和DBR区来获得每扇区字节数[7]，每簇扇区数，FAT表个数等文件系统基本信息。获得这些基本信息后向海量存储设备写入一个文件的流程如图5所示。

图5 读文件流程图Fig.5 Process of reading file

4 结束语

在完成数据记录器设计后，按照设计要求进行实验室测试，步骤如下：

1）将一个文件通过RS-422串口下载到数据记录器中，并以FAT16格式保存；

2）通过本系统的USB主机接口与外部的U盘进行连接，系统对U盘成功枚举后，将数据记录器存储的文件保存到U盘中。

3）通过PC机对U盘中的文件进行分析。一方面，PC可以识别U盘中的文件格式并可以打开；另一方面，通过文件比较软件，将源文件和下载到U中的文件进行比较，并计算误码率。

4）使用不同品牌的U盘，重复上述过程。

按照上述步骤，对各种大小、不同类型的文件，RS-422使用多种波特率，对飞控数据记录器进行大量测试，测试结果表明上传文件全部正确，误码率为零，且支持市面上绝大多数的U盘，从而证明飞控数据记录器设计方案正确和可行，完全摆脱了对PC机的依赖，方便无人机飞行数据的卸载。

[1]王安，钱晓亮，樊文侠.基于ARM的USB接口飞控系统数据记录器的设计[J].测控技术，2007，26（4）:37.WANG An， QIAN Xiao-liang， FAN Wen-xia.Design of USB interface for flight control system data recorder based on ARM[J].Measurement&Control Technology，2007，26（4）:37.

[2]萧世文.USB2.0硬件设计[M].北京:清华大学出版社，2002.

[3]周立功.ARM嵌入式系统软件开发实例（一、二）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[4]冯光磊，郭忠文，李正宝，等.基于ARM和Linux的USB OHCI驱动的设计与实现[J].计算机应用，2009，29（21）:53.FENG Guang-lei， GUO Zhong-wen， LI Zheng-bao， et al.Design and realization of USB OHCI driver based on ARM and Linux[J].Joumal of Computer Applications，2009，29（21）:53.

[5]陈智育.嵌入式系统中Flash的文件系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2002（1）:5－8.Cheng Zhi-yu.The flash system in embedded system[J].Microcontrollers&Embedded System，2002（1）:5－8.

[6]冯光磊，郭忠文，李正宝，等.基于ARM和Linux的USB OHCI驱动的设计与实现[J].计算机应用，2009，29（21）:53.FENG Guang-lei，GUO Zhong-wen，LI Zheng-bao， et al.Design and realization of USB OHCI driver based on ARM and Linux[J].Joumal of Computer Applications.2009，29（21）:53.