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(chǔ)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(chǔ)，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(chǔ)模塊(如EEPROM或Flash)來存儲(chǔ)編程文件^[2-3],，相比于ARM內(nèi)置SRAM和Flash運(yùn)行和存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(tái)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(chǔ)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(tái)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(chǔ)多路串口的輸入數(shù)據(jù),，USB模塊讀取存儲(chǔ)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(jí)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(jí)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(duì)象(包括信號(hào)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(duì)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(duì)硬件的接口，這個(gè)接口完成對(duì)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(duì)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(duì)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(chǔ),。USB驅(qū)動(dòng)用于實(shí)現(xiàn)PC對(duì)SD卡中存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(duì)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(chǔ)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(chǔ)放在一個(gè)線程里去執(zhí)行,，難免會(huì)引發(fā)存儲(chǔ)設(shè)備的頻繁寫入，大容量存儲(chǔ)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(chǔ)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(huì)降低整體系統(tǒng)的存儲(chǔ)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(huì)影響實(shí)時(shí)性,，造成數(shù)據(jù)損失。

    為保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)”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(chǔ)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(chǔ)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(jí)越高的規(guī)律,，因此上述3個(gè)線程的優(yōu)先級(jí)設(shè)置應(yīng)滿足“執(zhí)行周期遞增，優(yōu)先級(jí)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(jí)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(jí)緩沖區(qū),，一級(jí)緩沖區(qū)的大小可以設(shè)置為256 B左右,，一級(jí)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(jí)的緩沖線程啟動(dòng)后就迅速把一級(jí)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到二級(jí)緩沖區(qū)中,，并將一級(jí)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(jí)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(jí)緩沖區(qū)的大小,，二級(jí)緩沖區(qū)存滿后則通知存儲(chǔ)線程執(zhí)行；處于低優(yōu)先級(jí)的存儲(chǔ)線程啟動(dòng)后就迅速把二級(jí)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝到三級(jí)緩沖區(qū)中,，并將二級(jí)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(jí)緩沖區(qū)的正常寫入,，三級(jí)緩沖區(qū)設(shè)置成一個(gè)隊(duì)列結(jié)構(gòu),，從二級(jí)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(jí)緩沖區(qū)，由于SD卡一次最小寫入單位是512 B,，為提高對(duì)存儲(chǔ)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(jí)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(jí)緩沖區(qū)對(duì)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(chǔ),，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(chǔ)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(jí)的緩沖線程和存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)和多線程數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ),，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(chǔ)的3個(gè)不同文件拷貝到PC上,，以上位機(jī)存儲(chǔ)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(chǔ)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(duì)單線程存儲(chǔ)策略和多線程數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)策略進(jìn)行了對(duì)比,。測試結(jié)果表明,，多線程數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)設(shè)備同等數(shù)據(jù)量下的讀寫頻次，延長了存儲(chǔ)設(shè)備的使用壽命,，明顯優(yōu)于單線程存儲(chǔ)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(chǔ)性能,，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ),，并能通過USB連接線將存儲(chǔ)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(duì)數(shù)據(jù)記錄儀的要求。另外,，多線程和多級(jí)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(duì)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。

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作者信息:

盛  蔚，賀  彪,，高  彤

（北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,，北京100191）