基于Flash存储介质的遥测系统高速存储技术研究

2018-02-05苗岩松

无线电工程 2018年2期

孙琦，苗岩松

(太原卫星发射中心技术部，山西太原 030027)

0 引言

随着我国航天技术的不断发展，为更详尽地掌握运载火箭和卫星在发射飞行期间的工作状态，运载火箭遥测系统和卫星测控系统遥测数据量越来越大，无线传输方式由于遥测带宽和地面测控弧段所限，只能采用高速大容量存储器记录回放数据。另外，随着电子技术和雷达成像技术的快速发展，各种对地成像卫星和雷达侦察卫星对图像精度要求越来越高，致使有效载荷的分辨率越来越高，由此也带来了高速大容量数据的存储问题。由于发射飞行和太空工作环境极其恶劣，运载火箭和卫星上的各类存储系统又要求掉电后能保留数据并具有较高的可靠性，因此存储电路通常采用非易失的电路芯片。快速发展的Flash芯片因具有体积小、成本低、功耗小、寿命长、抗振动和宽温度适应范围等特点，逐渐成为高速大容量存储系统设计的主流选择。

根据运载火箭和卫星各类遥测系统对实时存储的需求，针对遥测系统实时存储数据容量大、读写速度快、可靠性要求高和使用环境苛刻等要求，提出了采用Flash芯片作为存储介质，通过流水线技术和并行处理技术，从而实现了低速Flash芯片实时可靠存储高速数据的目的，利用无效块管理技术和防误擦除技术提高了高速实时数据存储可靠性。

1 各类遥测系统对实时存储的需求

为提高获取数据的容量和可靠性，运载火箭遥测系统、卫星测控系统和卫星有效载荷数传系统等各类遥测系统在无线遥测传输的基础上，越来越多地采用存储器实时记录存储遥测数据。

1.1 运载火箭遥测系统数据传输方式

运载火箭遥测系统主要用于发射场测试和发射飞行期间的数据获取，为射前决策提供数据支持，为飞行试验结果分析提供依据[1]。运载火箭遥测系统数据传输方式包括无线遥测传输和存储器记录回收2种方式，中继方式传输应用较少。

无线遥测传输方式受遥测带宽所限，实时传输数据量有限。采用存储器实时记录，发射后对存储器进行回收，可获取大量详尽的试验数据。存储器记录方式还具有不受天气和黑障影响、可靠性高等特点。

1.2 卫星测控数据和载荷数据传输方式

卫星测控系统用于卫星的跟踪、遥测、遥控，遥测部分用于实时传输卫星保障系统(卫星平台)的各种工作参数，检测卫星保障系统工作情况。有效载荷数传系统是根据遥控指令完成对有效载荷数据的接收、处理、存取、加密和射频放大等，通过数传天线发送至地面数据接收站[2]。卫星测控数据和有效载荷数传系统的应用数据一般包括实时无线下传、中继下传和记录回放下传等方式。

实时无线下传方式受测控布站、信道容量所限，只能在测控弧段内传输数据。中继方式实时发送数据量有限，只能实时下传关键参数。卫星运行在非地面测控弧段时，采用存储器记录数据，达到测控弧段后快速读出数据并通过无线方式下传数据。

1.3 对存储器的需求

综合分析运载火箭遥测系统、卫星测控系统和卫星有效载荷数传系统等各类遥测系统的数据传输方式，存储器在各类遥测系统中的应用越来越广泛，起着越来越无法替代的作用。各类遥测系统对存储器的需求如下：

① 存储容量大：新型运载火箭由于采用总线技术，在提高可靠性的同时，数据量也越来越大，迫切需要提高存储器容量，为事后结果分析提供更多数据；随着电子技术和雷达成像技术的快速发展，各种对地成像卫星和雷达侦察卫星对图像精度要求越来越高，致使有效载荷的分辨率越来越高，由此也带来了高速大容量数据的存储问题。

② 读写速度快：由于运载火箭飞行时间较短，卫星测控系统和数传系统无线传输又受测控弧段所限，存储器存储容量的提升势必对存储器的读写速度提出更高的要求。只有读写速度提高，才能在有限的时间内，存入或读出大量数据，满足各类遥测系统数据量提高和短时间无线向下传输的需求。

③ 可靠性高：由于发射飞行和太空工作环境极其恶劣，而各类存储器所存储的数据又极为珍贵，一旦存储器出现问题造成数据丢失，会给运载火箭和卫星应用带来巨大问题，因此，运载火箭和卫星上的各类存储系统又要求掉电后能保留数据并具有良好的容错能力，这就要求存储器具有较高的可靠性。

2 基于Flash存储介质的高速存储关键技术

基于Flash存储介质的高速存储关键技术主要有提高写入速度的流水线技术和并行技术、提高可靠性的无效块管理技术和防误擦除技术[3]。

2.1 高速读写技术

各类遥测系统要求存储器在瞬态存储时，存储器的读写速度往往要达到20 Mb/s以上。由于大容量、高性价比以及断电后数据保持能力的优点，Flash芯片倍受青睐。由于Flash芯片在进行写操作之前必须先进行擦除操作，因此Flash芯片读数据的速度能够满足要求，但写数据的速度较慢，达不到上述指标。

2.1.1 Flash芯片的固有写入速度

典型的Flash芯片读写周期twc为25 ns，因此，缓冲区的峰值速度为：

fwr=1/twc=1/25 ns=40 Mb/s。

(1)

由缓冲区编程固化到Flash芯片的时间为tPROG，假设写缓冲区和编程固化交替连续进行，则写入Flash芯片的平均速度为：

(2)

Flash芯片编程固化一页的数据所需时间tPROG一般为200 μs，最高不超过700 μs，将其代入式(2)得到：

2.73 Mb/s

(3)

因此，Flash芯片的最高写入速度约为8.15 Mb/s，远远无法达到20 Mb/s以上的写入速度需求[4-5]。

2.1.2 流水线技术与并行技术

为了提高Flash芯片的写入速度，达到20 Mb/s以上的读写速度要求，需要采取流水线技术和并行处理技术。

流水线技术在计算机领域和工业生产领域都已经得到了广泛运用，借鉴流水线技术在进行Flash芯片写入时可以大大节省存储时间，提高写入速度[6]。Flash芯片每页数据的写入时间和编程时间是由芯片器件本身所决定的，当写完一页数据后，Flash芯片需要等待写入的数据完成自动编程，即将数据从临时寄存器中写入存储单元，编程期间不能进行其余操作，编程结束后，Flash芯片才能进行下一页数据的写入，然后再进行编程[7]。因此如果可以对Flash芯片的编程时间加以利用，使Flash芯片在进行本页数据编程的同时去写入下一页数据，这样便可节省存储时间，提高写入速度[8]。

通过并行处理技术可以比较直观地提高写入速度：将n片低速Flash芯片并联，使用相同的控制线和信号线，构成一个Flash芯片组。这样n片Flash芯片并行工作，进行相同的操作，理论上写入速度可以达到单片Flash芯片的n倍[9]。

采用流水线技术和并行处理技术后，Flash芯片在高速存储过程中不必去考虑页编程是否完成，从而使Flash芯片的写入速度近似达到芯片接口写入速度(缓冲区的峰值速度)[10]。

2.1.3 技术实现途径

采用流水线技术后，单个Flash芯片的写入过程包括接收数据、写数据和存储器编程(等待存储器写入数据)3道工序，如图1所示，接收数据是指高速接收各类数据设备需要存储的数据并将数据暂时存放到缓冲区，写数据是将存放到缓冲区的数据高速写入到存储器芯片，存储器芯片需要长时间的编程等待[11]。所以，在写入过程的3道工序中，存储器编程属于瓶颈工序。

图1 单个Flash芯片高速写入流水线

将n片Flash芯片组成一组，将存储器编程工序设置n-1道并行工序，采取流水线技术和并行处理技术的电路框图如图2所示[12-13]。第1片Flash芯片写入第1页数据后进入存储器编程工序，然后第2片Flash芯片开始写入第1页数据，完成数据写入后也进入存储器编程工序，依次对第3～n片Flash芯片进行相同的操作。

图2 n片Flash芯片并行高速写入流水线时空图

每片Flash芯片连续写一页的时间Δt为：

Δt=2 048tWC=2 048×25 ns=51.2 μs，

(4)

n-1片Flash芯片缓存区各写一页的写入时间：

(n-1)Δt=(n-1)51.2 μs。

(5)

当n取15时(将15片Flash芯片组成一组，存储器编程瓶颈工序设置14道并行工序)，14片Flash芯片缓存区的写入时间为716.8 μs。因此，当存储器的第2～15片芯片完成写入数据后，时间已超过了第1片芯片的编程时间tPROG(200～700 μs)，此时第1片芯片已经完成上一页数据的编程，可以接收和写入下一页数据，实际的读写速度可以达到缓冲区的峰值速度40 Mb/s。

2.2 无效块管理技术

Flash芯片的无效块是指一个块内含有一位或更多位的数据单元无法进行读、写、擦除和编程等操作。若不对无效块进行处理，将会导致数据的丢失和不连续。NAND型Flash芯片在出厂时内部会随机分布有无效块(初始无效块)，在芯片的长期使用过程中不可避免地还会增加新的无效块(新增无效块)。因此在Flash芯片的使用过程中，需要建立一个针对无效块的管理列表，将芯片包含的所有无效块信息写入此管理列表中，在新出现无效块时也能够及时更新无效块管理列表。

2.2.1 建立无效块管理列表

每一块Flash芯片在出厂时已经标明了初始无效块。读取Flash芯片每一块的第1、第2页的第2 048个字节来判断该块是否为无效块：如果第1页和第2页的第2 048个字节均为“FF”(16进制)，则认为此块是有效块，否则便为无效块。建立无效块管理列表可以使用将其内部地址空间和Flash芯片内部块地址一一对应的映射方法，当发现某一块是无效块时，只需将列表中对应此块地址的单元写入“0”即可，而其余的地址单元仍为“1”(代表该块为有效块)[14]。在对Flash芯片的每一块进行操作之前，都需要首先读取无效块管理列表中对应此块地址单元的信息，判断该块是否为无效块，如果是无效块就跳过此块不进行操作，直至找出有效块时再进行操作[15]。建立无效块管理列表如图3所示。

图3 建立无效块管理列表

2.2.2 更新无效块管理列表

对于Flash芯片使用过程中新增加的无效块，可以通过读状态寄存器来进行判断。操作Flash芯片过程中，如果出现无效块，可以先更新状态寄存器中对应于该块的信息，待Flash芯片操作结束后再将状态寄存器中的信息写入无效块管理列表[16]。无效块管理列表的更新过程如图4所示。

图4 更新无效块管理列表

2.3 防误擦除技术

由于Flash芯片在进行写操作之前必须先进行擦除操作。在实际使用过程中，如果出现意外，则有可能出现二次擦除，若不采取防范措施，就会出现数据丢失的灾难性后果，因此如何防止误擦除是非常关键的。采用“读数法”可以避免这种误擦除[17]：在擦除后，Flash芯片内部单元所存储的数据均为“FFFF”，当Flash芯片开始记录时，首先读取Flash芯片内所存储的一小段数据，如果该数据均为“FFFF”，表明Flash芯片已经擦除完成还未开始记录，此时可以开始进行记录；如果该数据不为“FFFF”，则说明Flash芯片已经存储了有效数据，此时，不再进行擦除和写入工作。

2.4 应用结果及分析

目前该技术已经在多种型号运载火箭的实际测试飞行中应用。如某型运载火箭为了获取再入大气穿越“黑障”区时遥测数据的采集任务，提高试验数据的保密性，设计了低功耗、大容量、高读写速率和强抗过载的新型存储器。存储器模块组成如图5所示。

该存储器主要包括接口保护电路、中心逻辑控制电路FPGA及E2PROM、FLASH存储器、电压稳压模块、晶体振荡器和状态指示电路等。其中数据接口为双向接口，在采集状态下为输入接口，在读数状态下为输出接口；FPGA内部采用了2 kByte的双口RAM构成的FIFO，对数据进行缓存，保证了Flash Memory在页编程和擦除期间数据不丢失，且读写速率可达150 Mbps；FLASH存储器选用SAMSUNG公司的芯片作为基本存储芯片，单片容量为8 G，并且可以通过简单的芯片升级以及少量的软件改动实现总存储容量升级。

图5 存储器模块组成

通过该型运载火箭的多次飞行试验验证，存储器完整获取了有效的飞行试验数据，为分析运载火箭穿越“黑障”区时的力学环境，改进飞行器性能提供了可靠的数据支撑。

3 结束语

随着基于Flash存储介质的高速存储技术的深入开发利用，实现了运载火箭地面测试和实际飞行时数据的高速可靠存储。另外，基于Flash存储介质的高速存储技术在运载火箭飞行试验数据的记录回收、回收类航天飞行器的试验数据记录回收、飞机等航空产品的飞行数据记录回收如黑匣子，炮弹的试验数据记录回收，汽车撞击试验等民用产品数据记录方面均有广泛的应用。

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