0 引言

傳統(tǒng)的無人機(jī)數(shù)據(jù)記錄儀僅僅是記錄無人機(jī)在整個(gè)飛行過程中各狀態(tài)參數(shù)的機(jī)載電子設(shè)備，大多采用FPGA作為控制器，NAND Flash作為存儲單元，SRAM作為數(shù)據(jù)緩存，以并行的方式完成數(shù)據(jù)的緩存和處理[1-2]，雖然也能實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)的有效存儲，但又產(chǎn)生了功耗大和體積大的問題。而且FPGA需要外部存儲模塊(如EEPROM或Flash)來存儲編程文件[2-3]，相比于ARM內(nèi)置SRAM和Flash運(yùn)行和存儲編程文件，這無疑增加了外圍電路的復(fù)雜性。此外，以NAND Flash作為大容量存儲設(shè)備，就必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的壞塊管理算法和擦寫平衡算法，在實(shí)際存儲過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)ECC校驗(yàn)，并實(shí)時(shí)維護(hù)一個(gè)NAND Flash壞塊表，以防把數(shù)據(jù)寫入壞塊造成無法讀出[4-5]，大大降低了系統(tǒng)的存儲效率。

日新月異的無人機(jī)應(yīng)用場合要求數(shù)據(jù)記錄儀不僅要記錄飛行器的飛行狀態(tài)，還要記錄各種任務(wù)設(shè)備的指令、數(shù)據(jù)和工作信息以便離線使用，功能舉例如下：

(1)存儲差分GPS基站和移動(dòng)站的原始星歷數(shù)據(jù)做后差分解算，提高航測作業(yè)的位置解算精度；

(2)在靜止時(shí)和飛行時(shí)存儲導(dǎo)航傳感器的所有高頻原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行離線噪聲建模，優(yōu)化濾波模型；

(3)在地面和機(jī)上分別記錄數(shù)據(jù)鏈上行和下行的指令和數(shù)據(jù)，離線分析鏈路可靠性。

除此之外還有諸多功能等待開發(fā)和挖掘，但這些功能都要求數(shù)據(jù)的存儲必須滿足實(shí)時(shí)、可靠、低功耗、小型化和易存取等特點(diǎn)。本文結(jié)合無人機(jī)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RT-Thread的數(shù)據(jù)記錄儀。

1 功能模塊選型

為滿足實(shí)時(shí)、可靠、低功耗、小型化、低成本和易存取的無人機(jī)數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計(jì)需求，從低功耗、小型化和低成本的角度考慮，ARM微處理器必然是最優(yōu)選擇；從滿足實(shí)時(shí)性和高可靠的角度考慮，在硬件平臺上移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過線程的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)來保證無疑是最優(yōu)選擇；從易存取的角度考慮，使用SD卡作為存儲介質(zhì)能夠避免系統(tǒng)將CPU資源浪費(fèi)在擦寫平衡和ECC校驗(yàn)等環(huán)節(jié)，使用USB進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取能提高數(shù)據(jù)讀取效率。

本文所設(shè)計(jì)的無人機(jī)數(shù)據(jù)記錄儀使用的硬件嵌入式平臺為STM32F4系列微處理器，使用該微處理器的SDIO模塊讀寫SD卡，接收、緩沖并存儲多路串口的輸入數(shù)據(jù)，USB模塊讀取存儲的數(shù)據(jù)，并移植了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RT-Thread進(jìn)行線程調(diào)度和文件系統(tǒng)支持，主體架構(gòu)如圖1所示。

RT-Thread相較于?滋C/OS-III和FreeRTOS等嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)：首先是開源的，且符合POSIX規(guī)范，穩(wěn)定性高；支持Fatfs文件系統(tǒng)，采用多級目錄結(jié)構(gòu)，能夠?qū)Σ煌愋?、不同來源和不同用途的無人機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行更科學(xué)化的文件管理，且能夠與PC端實(shí)現(xiàn)文件互傳，便于數(shù)據(jù)導(dǎo)出；采用基于優(yōu)先級的全搶占式多線程調(diào)度算法和基于時(shí)間片的輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法，使用內(nèi)核對象(包括信號量、互斥量等)進(jìn)行線程同步，極大地優(yōu)化了線程的執(zhí)行和調(diào)度效率，提升了微處理器的數(shù)據(jù)存取性能，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行有效的硬件驅(qū)動(dòng)開發(fā)和應(yīng)用程序開發(fā)就能夠滿足無人機(jī)行業(yè)對數(shù)據(jù)存取的要求。

2 硬件驅(qū)動(dòng)開發(fā)

硬件驅(qū)動(dòng)的開發(fā)主要為3部分，包括在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RT-Thread的架構(gòu)上進(jìn)行串口模塊、SDIO模塊和USB模塊的驅(qū)動(dòng)開發(fā)。RT-Thread為這些模塊定義了中間層框架，這個(gè)框架向上和向下各提供一個(gè)接口，向下是底層驅(qū)動(dòng)對硬件的接口，這個(gè)接口完成對硬件模塊的控制并從硬件獲得數(shù)據(jù)，向上是與應(yīng)用程序交互的接口，通過這個(gè)中間層框架，應(yīng)用程序就可以通過統(tǒng)一的接口訪問底層硬件，即使硬件有所改動(dòng)上層代碼幾乎不用改動(dòng)，提高了系統(tǒng)的移植性[6]。

串口驅(qū)動(dòng)主要包括串口的初始化程序以及中斷接收程序，以實(shí)現(xiàn)對外部輸入數(shù)據(jù)的快速響應(yīng)。SDIO驅(qū)動(dòng)主要包括SD卡的初始化程序、SD卡的產(chǎn)品信息讀取函數(shù)和SD卡讀寫函數(shù)，用來實(shí)現(xiàn)對SD卡的功能配置，還需要在SD卡上運(yùn)行Fatfs文件系統(tǒng)，以文件系統(tǒng)的組織形式進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的快速存儲。USB驅(qū)動(dòng)用于實(shí)現(xiàn)PC對SD卡中存儲數(shù)據(jù)的拷貝，以便在PC上進(jìn)行處理和分析，這就需要開發(fā)USB的大容量存儲設(shè)備驅(qū)動(dòng)[7]，而USB主要通過描述符(descriptor)進(jìn)行接口描述，本文按照如下結(jié)構(gòu)配置描述符[8]：一個(gè)設(shè)備描述符，采用USB2.0協(xié)議，并支持一個(gè)配置描述符；一個(gè)配置描述符，包含一個(gè)接口描述符；一個(gè)接口描述符，接口設(shè)備類為Mass Storage類，下設(shè)兩個(gè)端點(diǎn)；兩個(gè)端點(diǎn)描述符，一個(gè)IN端點(diǎn)和一個(gè)OUT端點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，并都采用塊傳輸形式，最大傳輸數(shù)據(jù)包長度為64 B。描述符配置完畢后，USB就可以響應(yīng)大容量存儲的各類設(shè)備請求并按照標(biāo)準(zhǔn)的USB2.0協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了。

最后將這3個(gè)模塊的底層驅(qū)動(dòng)與RT-Thread中間層框架實(shí)現(xiàn)對接，就可以通過調(diào)用RT-Thread應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備接口進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)了。

3 多線程數(shù)據(jù)緩沖存儲策略

在多通道數(shù)據(jù)量大且復(fù)雜度高的應(yīng)用場合，如果把非周期字節(jié)流的接收和存儲放在一個(gè)線程里去執(zhí)行，難免會引發(fā)存儲設(shè)備的頻繁寫入，大容量存儲設(shè)備大多以塊而非字節(jié)為最小寫入單位，一次只寫入幾個(gè)字節(jié)與寫入整塊的時(shí)間相同，一次只寫入幾個(gè)字節(jié)必然造成CPU資源的浪費(fèi)，而存儲設(shè)備的讀取和寫入往往是線程中最耗時(shí)的環(huán)節(jié)，這樣勢必會降低整體系統(tǒng)的存儲效率。如果恰巧在線程執(zhí)行過程中有新的數(shù)據(jù)到來，CPU就無法及時(shí)響應(yīng)，勢必會影響實(shí)時(shí)性，造成數(shù)據(jù)損失。

為保證數(shù)據(jù)存儲的完整和可靠，且不過多占用CPU資源影響其他線程調(diào)度，本文創(chuàng)新地提出了多線程數(shù)據(jù)緩沖技術(shù)，遵循“先接收后緩沖再存儲”的原則，即設(shè)計(jì)3個(gè)線程分別接收數(shù)據(jù)、緩沖數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)，并合理分配CPU資源，讓接收線程處理的數(shù)據(jù)最少，緩沖線程處理的數(shù)據(jù)適中，存儲線程處理的數(shù)據(jù)最多。根據(jù)LIU C L和LAYLAND J在文獻(xiàn)[9]中提出并證明的結(jié)論，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，單調(diào)速率調(diào)度(RMS)算法的線程設(shè)置必須滿足周期越短，優(yōu)先級越高的規(guī)律，因此上述3個(gè)線程的優(yōu)先級設(shè)置應(yīng)滿足“執(zhí)行周期遞增，優(yōu)先級遞減”的原則，具體線程設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

在實(shí)際數(shù)據(jù)到來后，處于最高優(yōu)先級的接收線程可以快速響應(yīng)并將接收到的字節(jié)流及時(shí)寫入一級緩沖區(qū)，一級緩沖區(qū)的大小可以設(shè)置為256 B左右，一級緩沖區(qū)存滿后則通知緩沖線程執(zhí)行；處于中等優(yōu)先級的緩沖線程啟動(dòng)后就迅速把一級緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到二級緩沖區(qū)中，并將一級緩沖區(qū)清零，數(shù)據(jù)指針復(fù)位，使其不影響下一次接收任務(wù)的正常寫入，二級緩沖區(qū)的大小可以設(shè)置為2 048 B左右，必須顯著大于一級緩沖區(qū)的大小，二級緩沖區(qū)存滿后則通知存儲線程執(zhí)行；處于低優(yōu)先級的存儲線程啟動(dòng)后就迅速把二級緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝到三級緩沖區(qū)中，并將二級緩沖區(qū)清零，數(shù)據(jù)指針復(fù)位，使其不影響下一次二級緩沖區(qū)的正常寫入，三級緩沖區(qū)設(shè)置成一個(gè)隊(duì)列結(jié)構(gòu)，從二級緩沖區(qū)拷貝過來的數(shù)據(jù)就按照隊(duì)列依次寫入三級緩沖區(qū)，由于SD卡一次最小寫入單位是512 B，為提高對存儲設(shè)備的寫入效率，就必須嚴(yán)格控制寫入SD卡的字節(jié)數(shù)為512的整數(shù)倍，寫入SD卡完成后再將剩余數(shù)據(jù)的指針移到三級緩沖區(qū)的開頭，并將下一次移進(jìn)來的數(shù)據(jù)放在這些數(shù)據(jù)的末尾，保證下一次寫入數(shù)據(jù)的正確性和高效率，而且每個(gè)線程執(zhí)行完成后都同步計(jì)算至下次觸發(fā)的超時(shí)時(shí)間，保證緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)即使不滿也能通過觸發(fā)超時(shí)逐步轉(zhuǎn)存最后寫入SD卡，程序執(zhí)行流程如圖3所示。

通過以上3個(gè)線程和三級緩沖區(qū)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，相較于使用一個(gè)單一線程進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和存儲，完全避免了數(shù)據(jù)丟失問題和SD卡頻繁寫入的資源浪費(fèi)問題，拆分后串口3個(gè)線程的CPU時(shí)間片輪轉(zhuǎn)過程如圖4所示。

從操作系統(tǒng)多線程調(diào)度的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)來看[10]，接收線程處理的數(shù)據(jù)量最小，其占用的CPU時(shí)間片也很少，即使在緩沖線程和存儲線程的執(zhí)行過程中有數(shù)據(jù)輸入，接收線程也可以搶占較低優(yōu)先級的緩沖線程和存儲線程得以執(zhí)行，保證不丟失任何輸入數(shù)據(jù)。而且由于接收線程執(zhí)行時(shí)間短，執(zhí)行完畢后緩沖線程和存儲線程也能從之前被搶占的地方繼續(xù)執(zhí)行，將數(shù)據(jù)流匯聚成數(shù)據(jù)塊再進(jìn)行寫入，顯著提高數(shù)據(jù)的存儲效率，降低SD卡讀寫的耗時(shí)。

4 系統(tǒng)性能測試

為驗(yàn)證軟硬件設(shè)計(jì)的正確性和高效性，接下來進(jìn)行了小批量試制，系統(tǒng)實(shí)物如圖5所示，并在試制完成的數(shù)據(jù)記錄儀上進(jìn)行系統(tǒng)性能測試。

擬定如下測試方案：連接PC和數(shù)據(jù)記錄儀，通過上位機(jī)軟件向數(shù)據(jù)記錄儀的3個(gè)串口同時(shí)以115 200的波特率發(fā)送不同數(shù)據(jù)，頻率均為10 Hz，數(shù)據(jù)量均為1 000 B/次，模仿無人機(jī)應(yīng)用中的高頻次連續(xù)數(shù)據(jù)，分別以單線程接收存儲和多線程數(shù)據(jù)緩沖存儲兩種方法進(jìn)行測試，在數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲的同時(shí)PC上也通過上位機(jī)軟件進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)的同步存儲，連續(xù)不間斷工作24小時(shí)進(jìn)行壓力測試，完成后通過USB口將數(shù)據(jù)記錄儀存儲的3個(gè)不同文件拷貝到PC上，以上位機(jī)存儲的發(fā)送數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，計(jì)算兩種方法的數(shù)據(jù)存儲率、CPU實(shí)際占用率和SD卡讀寫次數(shù)，結(jié)果如圖6所示。

通過這個(gè)測試方案不僅驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的可靠性，還對單線程存儲策略和多線程數(shù)據(jù)緩沖存儲策略進(jìn)行了對比。測試結(jié)果表明，多線程數(shù)據(jù)緩沖存儲策略因?yàn)樵黾恿司€程的調(diào)度，雖然增加了CPU的實(shí)際占用率，但這與其帶來的數(shù)據(jù)存儲率的顯著提升相比是微不足道的，而且這種方式大幅降低了存儲設(shè)備同等數(shù)據(jù)量下的讀寫頻次，延長了存儲設(shè)備的使用壽命，明顯優(yōu)于單線程存儲策略，且在長時(shí)間、大數(shù)據(jù)輸入壓力測試的情況下仍能維持很好的數(shù)據(jù)存儲性能，數(shù)據(jù)存儲率為100%，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。最后進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用測試，準(zhǔn)備兩個(gè)數(shù)據(jù)記錄儀，將一個(gè)數(shù)據(jù)記錄儀安裝在小型四旋翼無人機(jī)上，存儲無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)和差分GPS移動(dòng)站接收機(jī)的后差分?jǐn)?shù)據(jù)，另一個(gè)在地面存儲差分GPS基站接收機(jī)的后差分?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)際多頻次高強(qiáng)度飛行后利用第三方軟件進(jìn)行后差分解算。經(jīng)測試，數(shù)據(jù)均無丟包，工作均正常，能夠滿足高強(qiáng)度飛行任務(wù)的需要。

5 結(jié)論

本文以實(shí)際無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用為牽引，設(shè)計(jì)了一款基于RT-Thread的實(shí)時(shí)、可靠、低功耗、小型化和易存取的無人機(jī)數(shù)據(jù)記錄儀，通過多線程數(shù)據(jù)緩沖存儲策略實(shí)現(xiàn)了大量連續(xù)數(shù)據(jù)輸入條件下的高效率、高可靠存儲，并能通過USB連接線將存儲的數(shù)據(jù)快速導(dǎo)出到PC中進(jìn)行事后分析，能夠滿足日益復(fù)雜的無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用對數(shù)據(jù)記錄儀的要求。另外，多線程和多級緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)處理模式不僅局限于嵌入式領(lǐng)域，對于需要多通道數(shù)據(jù)處理的個(gè)人計(jì)算機(jī)和服務(wù)器軟件開發(fā)也有一定的借鑒作用。