0 引言

彈載數(shù)據(jù)記錄儀的主要作用是對(duì)導(dǎo)彈飛行中的各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集與記錄，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)記錄儀的信息進(jìn)行回讀和分析，可以評(píng)估導(dǎo)彈在飛行過(guò)程中的性能，從而對(duì)其功能進(jìn)行修改和完善。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，彈載數(shù)據(jù)記錄儀在導(dǎo)彈的研制過(guò)程中有著越來(lái)越重要的作用，對(duì)其要求也越來(lái)越高，低功耗、大容量、小體積、高速度是當(dāng)前彈載數(shù)據(jù)記錄儀的發(fā)展趨勢(shì)[1]。

基于以上原因和實(shí)際指標(biāo)要求，本文設(shè)計(jì)了一種基于片上系統(tǒng)(System on Chip，SoC)芯片的數(shù)據(jù)記錄儀，采用高速大容量的Micro SD卡為存儲(chǔ)介質(zhì)，使用德州儀器生產(chǎn)的TMS320DM368處理器作為主控芯片，在片上運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，進(jìn)行相關(guān)的裁剪和移植，最終實(shí)現(xiàn)了1路PAL模擬視頻數(shù)據(jù)的采集及H.264格式壓縮存儲(chǔ)，1路CAN總線和RS422總線與彈載計(jì)算機(jī)通信和數(shù)據(jù)交互，并通過(guò)USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)在上位機(jī)的回讀分析，以此評(píng)估飛行器的性能參數(shù)。本系統(tǒng)具有功耗低、成本低、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、工作溫度范圍大、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)組成部分

彈載數(shù)據(jù)記錄儀主要實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)彈飛行過(guò)程中對(duì)環(huán)境信息的視頻信息和飛行姿態(tài)參數(shù)信息的記錄存儲(chǔ)，在導(dǎo)彈落地后，通過(guò)配套的地面數(shù)據(jù)讀取設(shè)備和地面計(jì)算機(jī)配合讀出記錄儀中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后由上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。地面讀取裝置與地面計(jì)算機(jī)之間通過(guò)USB接口或者百兆網(wǎng)絡(luò)接口通信，將數(shù)據(jù)拷貝到本地存儲(chǔ)介質(zhì)。數(shù)據(jù)記錄儀與地面讀取裝置的組成框圖如圖1所示。

本數(shù)據(jù)記錄儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路信號(hào)的采集和記錄，存儲(chǔ)容量可以根據(jù)實(shí)際需求通過(guò)更換不同容量的SD卡來(lái)實(shí)現(xiàn)，且飛行試驗(yàn)結(jié)束后數(shù)據(jù)回讀的實(shí)現(xiàn)方式快捷有效。記錄儀的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)導(dǎo)彈電源系統(tǒng)為數(shù)據(jù)記錄儀提供+12 V的工作電壓，記錄儀的功耗低于6 W；

(2)采集1路PAL制式視頻數(shù)據(jù)，幀頻不低于25幀/s，可硬件實(shí)時(shí)壓縮存儲(chǔ)；

(3)包含1路CAN總線和1路RS422總線，實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收；

(4)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間小于10 s，且具有掉電保護(hù)功能；

(5)系統(tǒng)可正常工作的溫度范圍為-40 ℃~85 ℃。

數(shù)據(jù)記錄儀的功能框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

受導(dǎo)彈艙體內(nèi)空間的限制，同時(shí)考慮到導(dǎo)彈飛行過(guò)程中振動(dòng)幅度大，本系統(tǒng)由3塊體積較小的板卡組成，分別為主控板、接口板和電源板，板卡之間由專(zhuān)用的接口連接，可方便固定在載體內(nèi)部，并進(jìn)行灌封保護(hù)。其中主控板負(fù)責(zé)接收視頻、RS422總線和CAN總線上的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行采集和存儲(chǔ)控制，此模塊是數(shù)據(jù)記錄儀的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，會(huì)在艙體內(nèi)進(jìn)行灌封防護(hù)處理以保護(hù)數(shù)據(jù)安全；接口板負(fù)責(zé)RS422總線、CAN總線以及USB接口通信的實(shí)現(xiàn)；電源板負(fù)責(zé)電壓的轉(zhuǎn)換，給主控板和接口板提供所需的工作電壓。

2.1 主控制器和存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主控板上使用TI公司的DM368處理器作為主控芯片，該芯片采用ARM+硬件編解碼器的硬件架構(gòu)，具有尺寸小、功耗低、編解碼速度快等優(yōu)點(diǎn)[2]。其內(nèi)部包含的ARM926EJ-S處理器工作頻率可達(dá)432 MHz，同時(shí)具有MJCP和HDVICP兩個(gè)協(xié)處理器，可實(shí)現(xiàn)MPEG、H.264等格式的壓縮處理，此外內(nèi)部還集成視頻處理子系統(tǒng)及各種其他豐富的外部存儲(chǔ)或通信總線控制器。相比于傳統(tǒng)的基于DSP、FPGA的彈載平臺(tái)數(shù)據(jù)記錄儀，該平臺(tái)很大程度上減小了系統(tǒng)的復(fù)雜度，并且硬件實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的編解碼，提高了壓縮比，減小了開(kāi)發(fā)的難度。

由于板卡尺寸的限制以及考慮到NAND Flash存儲(chǔ)容量較小，系統(tǒng)沒(méi)有采用Flash芯片分組級(jí)聯(lián)的存儲(chǔ)方案，改用Micro SD卡作為壓縮視頻以及導(dǎo)彈飛行信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)介質(zhì)，將SD卡放置在主控板上。由于彈體在發(fā)射和落地時(shí)存在較高的過(guò)載和沖擊，為保護(hù)記錄儀數(shù)據(jù)的安全，需要對(duì)主控板進(jìn)行整體灌封技術(shù)處理[3]。此外，主控板上模擬視頻采集模塊由TVP5150AM1芯片實(shí)現(xiàn)，這是一款超低功耗，能夠支持NTSC、PAL、SECMA等格式的高性能視頻解碼器，正常工作時(shí)的功耗低于120 mW，并且封裝體積較小，完全滿足本數(shù)據(jù)記錄儀的應(yīng)用需求。使用時(shí)通過(guò)I2C總線配置其內(nèi)部寄存器，將采集到的CVBS信號(hào)轉(zhuǎn)換為8 bit BT.656格式數(shù)據(jù)輸出到DM368的視頻前端（VPFE）圖像采集端口，進(jìn)行一些預(yù)處理后，視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)緩存模塊，實(shí)現(xiàn)編碼輸出或者壓縮存儲(chǔ)至SD卡，模擬視頻從采集到H.264壓縮存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

2.2 通信模塊的設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)記錄儀的接口板實(shí)現(xiàn)了1路RS422串行數(shù)據(jù)總線接口，用于與彈載計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指令的傳送，RS422接口使用MAX3490芯片實(shí)現(xiàn)差分方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，有效克服了通信過(guò)程中干擾、噪聲、傳輸效率低等缺點(diǎn)；1路CAN總線接收彈載計(jì)算機(jī)發(fā)送的飛行過(guò)程中的數(shù)據(jù)信息，接口板上使用帶SPI接口的獨(dú)立CAN控制器的MCP2515芯片實(shí)現(xiàn)，該器件主要由3部分組成：CAN通信協(xié)議模塊、CAN通信控制邏輯模塊、SPI接口協(xié)議模塊[4]。DM368主控芯片通過(guò)SPI接口，使用標(biāo)準(zhǔn)的SPI讀寫(xiě)指令實(shí)現(xiàn)對(duì)MCP2515的初始化，以及數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收的功能操作。CAN總線的實(shí)現(xiàn)原理示意圖如圖4所示。此外接口板上有1路USB2.0接口，用于彈體落地后地面計(jì)算機(jī)從數(shù)據(jù)記錄儀上讀回記錄數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

本數(shù)據(jù)記錄儀所使用的SoC芯片DM368內(nèi)部集成的ARM926核主頻高達(dá)432 MHz，可以運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)各種外設(shè)的控制和應(yīng)用程序的執(zhí)行。此外，片內(nèi)的協(xié)處理器HDVICP對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行H.264格式的壓縮編碼，大大減小了數(shù)據(jù)量，方便了傳輸和存儲(chǔ)，并且提高了圖像質(zhì)量[5]。

嵌入式軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要包括對(duì)應(yīng)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)、所需功能的應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)以及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置。本系統(tǒng)CAN總線模塊MCP2515的驅(qū)動(dòng)是基于Socket CAN的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，用于設(shè)備的初始化配置以及為應(yīng)用程序提供接口。

在實(shí)際的飛行試驗(yàn)中導(dǎo)彈發(fā)射后接收到相關(guān)指令后開(kāi)始采集視頻數(shù)據(jù)，并記錄存儲(chǔ)一些飛行姿態(tài)參數(shù)，在系統(tǒng)斷電之前停止程序的運(yùn)行，釋放占用的系統(tǒng)資源，確保數(shù)據(jù)正確地寫(xiě)入存儲(chǔ)介質(zhì)，斷電時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。根據(jù)以上數(shù)據(jù)記錄儀的任務(wù)需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于Linux的多任務(wù)多進(jìn)程的應(yīng)用程序，系統(tǒng)初始化后，同時(shí)啟動(dòng)視頻處理、RS422總線指令接收、CAN總線數(shù)據(jù)接收3個(gè)進(jìn)程，由收到的相應(yīng)指令執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作，提高了軟件執(zhí)行效率，并且確保了功能穩(wěn)定性。飛行狀態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖5所示。

3.1 視頻信號(hào)處理多線程實(shí)現(xiàn)

飛行中的場(chǎng)景信息由攝像頭采集到主控板上，在DM368處理器內(nèi)進(jìn)行H.264格式編碼壓縮，然后以文件的形式寫(xiě)入到SD卡。對(duì)數(shù)據(jù)記錄儀的視頻處理的任務(wù)采用多線程技術(shù)，程序的實(shí)現(xiàn)分為4個(gè)交互運(yùn)行線程：控制線程、采集線程、編碼線程和存儲(chǔ)線程。線程之間通過(guò)管道共享緩沖區(qū)，設(shè)置互斥鎖實(shí)現(xiàn)線程間的調(diào)度，提高了程序的執(zhí)行效率。視頻處理多線程流程圖如圖6所示。

3.2SD卡存儲(chǔ)掉電保護(hù)

為確保SD卡存儲(chǔ)介質(zhì)中的數(shù)據(jù)可靠安全地記錄下來(lái)，除了進(jìn)行物理上的灌封保護(hù)措施，在軟件方面也進(jìn)行了特殊處理。為了防止系統(tǒng)正常關(guān)閉前突然掉電可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的情況發(fā)生，在對(duì)SD卡存儲(chǔ)操作的軟件實(shí)現(xiàn)上，使用fflush、fsync函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)到磁盤(pán)的寫(xiě)入，保證文件內(nèi)容的更新速度。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

為對(duì)該系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估，在實(shí)驗(yàn)室搭建了模擬環(huán)境，主要針對(duì)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。使用PC向數(shù)據(jù)記錄儀發(fā)送控制指令，通過(guò)上位機(jī)調(diào)試軟件接收數(shù)據(jù)記錄儀反饋的信息，此外通過(guò)USB接口對(duì)SD卡存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回讀分析，視頻數(shù)據(jù)在SD卡內(nèi)保存為后綴為h264的文件，CAN接收的數(shù)據(jù)保存為文本格式。

首先在數(shù)據(jù)記錄儀程序內(nèi)記錄300 s內(nèi)所處理的視頻幀數(shù)，通過(guò)串口將信息發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以計(jì)算出數(shù)據(jù)記錄儀平均每秒可以處理的視頻圖像為25.06幀，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的壓縮要求。

5 結(jié)論

本文中所設(shè)計(jì)的彈載數(shù)據(jù)記錄儀實(shí)現(xiàn)了多路數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，具有體積小、功耗低、成本低的優(yōu)點(diǎn)，采用低功耗的SoC作為主控器、高速大容量的SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，很大程度上提高了數(shù)據(jù)記錄儀的性能。實(shí)際應(yīng)用表明，該記錄儀滿足抗高過(guò)載、高沖擊、寬溫度范圍的工程需求，具有較高的可靠性和適用性。