NAND FLASH在车载数据采集存储系统中的应用

2014-03-21马良，翟涌

仪表技术与传感器 2014年4期

马　良，翟　涌

(北京理工大学机械与车辆学院，北京　100081)

0　引言

自动变速操纵是一个传感器多、控制复杂的机电液一体化的复杂系统。控制过程中信号不仅路数多，而且变化快，很难通过人工直接观测的方法分析研究[1-2]。因此对于变速控制系统的研发，高速的同步随车数据采集存储系统必不可少。虽然，随着电子技术新成果的不断引进，数据采集存储系统得到了很大的发展；但是，目前大多数存储系统不符合车辆控制研究的特色，实用性差、成本高、性价比低。因此针对变速控制系统的研究需求，充分考虑了实车运行过程中振动冲击强、温度变化范围大等特点，设计开发了满足要求的高速车载数据采集存储系统。由于NAND FLASH容量大、成本低、抗震动冲击能力强等特点，选用NAND FLASH为存储设备，运用流水线技术实现了数据的快速存储[3]。

1　系统整体设计方案

车辆自动变速控制系统中的传感器和执行器等相关信号，经过A/D转换电路存入电子控制单元ECU中，之后通过RS-232总线发送到系统下位机。为了满足数据实时采集存储的要求，系统的下位机内部预留了两块16KB的数据缓存。在数据采集过程中，下位机通过串口通信接收数据，并将数据存入预留好的第一块缓存中，当该缓存满之后，数据被存入第二块缓存中，同时将第一块缓存中的数据存入NAND FLASH。系统在每次开始数据采集之前，都会为本次采集的数据创建文件信息，并将文件信息存入NAND FLASH的相应数据块中。数据采集完毕之后，下位机通过内部的SPI模块，并根据保存的文件信息，将数据存入SD卡中。最后，将SD卡中的数据复制到上位机进行分析处理。系统移植了FAT32文件系统，可以将数据以二进制文件的形式存入SD卡，方便上位机直接识别和处理。系统结构框图如图1所示。

图1　系统结构框图

2　系统硬件实现

系统分为下位机和上位机2个部分，下位机采用了Freescale公司的32位微控制器MCF51JM128作为主要的控制器件，该控制器提供了128KB的FLASH存储区和16KB的RAM存储区，同时包含丰富的功能模块，可以满足系统使用要求[4]。系统的下位机通过RS232总线采集数据，并使用MAX232芯片实现电平转换。系统的存储芯片主要选用了512B的EEPROM和Samsung公司的2GB NAND FLASH芯片K9WAG08U1A，其中EEPROM由于读写灵活，主要用于存储NAND FLASH的坏块信息和一些基本的文件信息，NAND FLASH用于存储采集的数据。

根据K9WAG08U1A的芯片手册，该芯片的坏块个数不超过328块，一般出厂时只有30块左右的坏块。EEPROM中一条坏块信息占两个字节，可以至少存储200条坏块信息，实际使用过程中FLASH产生新坏块的情况并不多[5]，所以可以满足系统的性能要求。

下位机中微控制器MCF51JM128的工作电压为5 V，而FLASH芯片的工作电压为2.7～3.6 V[3]，所以系统选用了电压转换芯片74ALVC164245。74ALVC164245同时支持2个数据组，共16位数据的双向电压转换，其中每组8位数据，由各自的方向控制位控制电压的转换方向，在使用过程中需要动态修改方向控制位的值。为了保证系统的时间准确，下位机中采用了时钟芯片DS1302，当下位机断电后通过电池给该芯片供电。

系统的上位机主要用于数据的分析和处理，同时可以通过RS-232总线与下位机通信，设置下位机的一些参数。系统硬件结构图如图2所示。

图2　系统硬件结构图

3　系统存储原理

系统选用大容量NAND FLASH存储设备K9WAG08U1A作为主要的存储器件，其存储空间是按照块和页的概念来组织的。K9WAG08U1A共包含16384个数据块(Block)，每块包含64页(Page)，每一页有2048B数据区和64B备用区，备用区在页的末尾，主要用于存储坏块信息、ECC代码等数据。

K9WAG08U1A内部由两块容量为1GB的K9K8G08U0A组成，它们通过2个片选信号CE1和CE2分别使能。每一块K9K8G08U0A内部又由两块容量为512MB的K9F4G08U0A组成，虽然这两块K9F4G08U0A共用同一个片选信号，但它们的页地址范围不同，可以给定不同的页地址和数据内容，实现两块K9F4G08U0A之间的交错页编程。由此可知，K9WAG08U1A由四块容量为512MB的K9F4G08U0A组成，它们共用8个I/O引脚和CLE、ALE等引脚，通过指定片选信号和给定不同的页地址，可以实现四块K9F4G08U0A交错页编程。K9WAG08U1A的内部结构图如图3所示。

图3　K9WAG08U1A的内部结构图

NAND FLASH的读写操作通常是以页为单位的，当向FLASH中存入一页数据时，下位机先发送完页编程指令、存储地址和2 KB数据之后，FLASH芯片自动完成内部的页编程操作。在自动编程过程中，FLASH芯片通过内部程序将数据从数据寄存器保存到指定的存储空间，其R/B端口将被拉低，表示芯片正处于忙工作状态，该过程需要的典型时间为200 μs，最大时间为700 μs[6]．通常情况下，下位机需要等待FLASH内部页编程结束后，才能继续向FLASH中存储数据。对于单片FLASH的单页编程操作，每次下位机要等待FLASH芯片的内部编程结束后，才能开始存储下一页数据，这样大量时间耗费在页编程过程中，很大程度上限制了系统存储速度的提高。

K9WAG08U1A内部由四块K9F4G08U0A组成，它们之间可以交互编程，互不干扰，而NAND FLASH的内部编程可以自动完成，不需要下位机干预，所以可以借鉴流水线技术，提高NAND FLASH的页编程速度[7]。具体实现过程如下：首先加载数据到第一片K9F4G08U0A，当该芯片开始自动编程后，下位机不再等待，而是继续加载数据到第二片K9F4G08U0A，当第二片芯片开始自动编程后，加载数据到第三片芯片，依次执行下去，当加载数据到第四片K9F4G08U0A完成之后，第一片芯片的自动编程已经执行完毕，可以循环继续加载新的数据，这样就可以将FLASH的内部自动编程时间等效为0，提高系统的数据存储速度。基于流水线技术的数据存储原理图如图4所示。

图4　基于流水线技术的数据存储原理图

4　系统坏块管理

NAND FLASH在生产及使用过程中都有可能产生坏块，这将使得系统变得不稳定[8]。文中设计的数据采集存储系统中，选用了512B的EEPROM作为存储FLASH坏块信息的设备。EEPROM读写灵活，同时支持单字节和多字节读写，有利于坏块信息的读取和更新。系统在用于实车实验之前，先要调用相应程序检测NAND FLASH在生产过程中产生的坏块，并将坏块信息存入EEPROM中。系统在实际使用过程中，根据FLASH的页编程和擦除操作结果，判断是否有坏块信息产生，如果页编程或擦除失败，表明当前数据块为坏块，并同时更新EEPROM中的坏块信息，如果为页编程失败，系统还得将数据备份到FLASH中的有效块中。

系统下位机在向FLASH中存入数据之前，首选要判断FLASH中将要存储数据的数据块是否为有效块，如果当前数据块为坏块，则系统将数据块地址加1，跳过当前数据块，然后判断下一数据块是否有效，直到找到有效的数据块为止。系统通过将数据块地址与坏块列表中的信息进行比较，来判断当前数据块是否有效。当跳过坏块后，系统会同时更新当前文件的文件信息的内容，记录跳过的坏块个数，保证文件能准确导入到SD卡中。

5　系统软件实现

系统的下位机程序采用C语言编写，主要包含数据采集、FLASH数据存储、EEPROM数据存储、SD卡文件存储、实时时钟读写等功能模块。系统的上位机软件采用Visual Basic编写，主要用于设置下位机的参数和分析处理采集到的数据。

在数据采集模块中，下位机通过SCI模块接收串口传输过来的数据，使用中断服务子程序将采集到的数据存入下位机的内部缓存中，同时更改数据缓存是否已满的标志，通知系统及时切换数据缓存和存储已采集的数据。

在FLASH数据存储模块中，系统主要通过循环结构实现了数据的流水线存储，为了支持多于8 KB的数据存储，在向各片K9F4G08U0A中加载数据之前，都要先读芯片的状态寄存器，判断上一次加载的数据是否保存成功，然后依次加载数据。所有数据都加载完毕后，系统会再次读芯片的状态寄存器，确保最后一次加载的数据成功保存。系统使用了交错页编程功能，无法通过读R/B信号来判断各片K9F4G08U0A内部页编程是否执行完毕，需要分别是用0xF1和0xF2指令，同时配合两个片选信号R/B1和R/B2，来读各片K9F4G08U0A的状态寄存器，根据返回值的第6位(I/O6)判断内部页编程是否执行完毕，根据第0位(I/O0)判断页编程是否成功。

如果FLASH在页编程过程中，出现了编程失败的情况，为了不影响数据的采集过程，下位机会先将数据备份到FLASH中的数据备份区，同时更新坏块信息和文件信息，等待数据采集完毕之后，再重新处理备份的数据。NAND FLASH的制造厂商保证FLASH第0块为有效块，所以系统选择FLASH的第0块的前30页用于存储文件信息，后34页作为数据备份区。该系统有2片K9K8G08U0A，所以有两个物理地址为0的块，可以选择两个数据块，用于存储文件信息和备份数据。为了防止第0块在使用过程中变为坏块，第0块中的所有数据都得在第1块中备份，系统每次上电都要比较两块中的数据。系统的FLASH数据存储流程图如图5所示。

在SD卡文件存储模块中，系统通过下位机的SPI模块实现了对SD的初始化及读写等操作[4，9-10]。同时，系统移植了FatFs文件系统，支持Fat32文件系统格式，使得下位机创建的文件可以直接被上位机识别，方便了上位机的数据处理过程。

6　系统验证

该车载数据采集处理系统应用在某型号AMT重型车辆上，通过与自动变速器ECU的串口通讯，进行了自动变速器控制参数的数据采集。在采集过程中，通过下位机的定时器测得，采用流水线存储技术后，FLASH的单页平均编程时间可以至少缩短200 μs．某次采集所得的数据经过文件格式转换后，根据数据采集的通讯协议，在上位机软件中显示如图6所示。TY为变速器选位行程；TX为换档行程；NE为发动机转速；N1为变速箱输入轴转速；N2为变速箱输出轴转速；LC为离合器行程；LTH为油压；LPH为油门踏板位置；PWM为占空比。