基于嵌入式系统的汽车行驶记录仪的设计
王杰
【摘 要】随着军用电子装备的性能提升和功能扩展，数据记录仪开始向大容量、高速度、高可靠性的方向发展。本文提出了一种基于嵌入式软核的记录仪设计方法，通过FPGA芯片中的NIOS II软核实现对存储系统的控制，结果表明，本方法可以有效提高记录仪的存储密度、读写速度以及可靠性。
【关键词】数据记录仪；嵌入式软核；NIOS II.
【Abstract】With the improvement of performance and function for military electronic equipment， large capacity， high speed and high reliability have become a trend for data recorder. A design of data recorder based on embedded processor has been proposed in this paper， storage system could be controlled with NIOS II CPU Core of FPGA. Results have proved that the storage density， write speed and reliability can be greatly improved.
【Key words】Data Recorder；Embedded Processor；NIOS II.
0 引言
随着军用电子技术的快速发展和新体制电子装备不断出现，信息的高速记录作为一项重要的功能被广泛应用于重大空情记录回放、雷达回波数据记录、图形图像实时捕获等，大容量记录仪的应用需求日趋迫切[1-2]。
目前常用的设计方法是采用SATA接口的硬盘作为存储介质[3-4]，通过多个硬盘并行读写以提高读写速度。但是由于硬盘体积大，读写速度有限，这种方法存在存储密度低、读写速度不高的缺点，并且多个硬盘的数据同步控制和数据管理必须要增加额外的计算机来进行控制，增加了硬件成本和系统重量。本文提出了一种嵌入式软核的数据记录仪设计方法，通过复用Altera公司FPGA芯片中的NIOS II CPU軟核[5]来进行控制FLASH芯片的读写，同时完成数据管理和记录流程控制。具有存储密度高、读写速度快、数据压缩率高、可靠性好等特点，具有广泛的应用前景。
1 基于NIOS II的软硬结合FLASH控制器设计
FLASH控制器的设计是高速数据存储的关键和难点。传统基于纯硬件的FLASH读写控制方式存在灵活性差、设计复杂的问题。根据所选用FLASH芯片的特点，采用软件+硬件的读写控制方式；其中硬件部分对数据进行自动接收、缓存，运行在NIOS II CPU上的控制软件通过对FLASH发送读写控制命令来控制数据存储和读取。硬件部分保证了足够快的读写速度，软件部分可以根据系统需要进行FLASH读写模式转换，更加灵活。同时，这种设计方式，大大简化了硬件控制逻辑设计的复杂性，加快了技术研发进度。
为了加速单片FLASH读写速度，控制器采用FLASH双面读写和交叉读写模式，最高能够达到传统读写速度的4倍速度。在记录仪的存储插件中控制多片FLASH芯片的并行读写，在扩展存储容量的同时成倍提高设备的读写速度。
2 基于NIOS II的嵌入式数据管理
系统各种资源（如：CPU内存、缓冲区）在面对海量数据的管理问题时，传统的文件管理方式难以实现。对于嵌入式系统几MB或十几MB的内存来说，即使通过分段调入内存的方式传统文件分区表（FAT表）的查询也难以实现。另外，传统文件管理方式中另外一个难题就是磁盘碎片问题，反复的文件建立和删除会导致磁盘区域分配不连续，产生碎片。
为了解决以上问题，NIOS II 配合外围接口搭建嵌入式控制计算机，通过运行控制软件建立2级文件索引表（FIL1、FIL2）来对存储空间和数据文件进行统一管理。采用基于Block的最小空间管理，每次分配和回收以Block为单位，记录不满一个Block的时候使用后续记录数据补足；从而杜绝了磁盘碎片的出现。使用一级文件索引（FIL1）表来存储文件及存储区域信息，索引表没有大小限制，采取分段调入内存的方式。记录重演系统的实时性体现在用户命令的响应时间上，我们使用极简的二级文件索引表（FIL2）来进行快速磁盘分配和检索，为了满足相应时间的要求常驻内存。每个Block只使用1 bit来标识，最大程度的节省了内存空间。这种文件管理方式在有限的资源下，即保证了文件系统的数据完整性，又保证了文件创建、删除、复制的响应时间。
3 数据压缩
记录数据可能包含雷达回波、点航迹数据、图像、音视频等多种数据格式。要把记录数据构成文件，需要经过数据复合的办法对原始数据进行处理，这一步通过编码实现。在编码过程中就存在数据压缩的可能，进一步减小存储数据量，从而在不增加存储空间的前提下增加记录时间，相当于是对系统容量的软扩容[6]。工程实践中对已有雷达回波数据使用商业压缩工具Winrar直接进行压缩，压缩率可以达到70%左右。本文针对雷达数据特征设计具有针对性的压缩算法，平均压缩比可以达到53%以上。同时，为了减小数据压缩和解压对系统性能的影响，采取高效的硬件压缩、解压方式，使用较小的硬件开销首先高速处理。
4 容错处理
系统经过长期使用难免会出现各种各样的故障，主要来源有两个：一是，各种控制器件的老化造成系统失效，二是，由于工艺的限制，FLASH的擦写次数有限，使用中会出现坏块甚至整个芯片失效，造成记录失败。为了提高系统可靠性便于维护，在NIOS II 嵌入式系统中开发了系统自动诊断软件。通过建立故障模型，进行故障模拟和测试生成，从而建立各控制组件以及存储区域的诊断列表。通过发送各种控制指令，捕获反馈信号来定位故障位置，进行修复或者器件更换。FLASH芯片内出现坏块时，可自动屏蔽坏块，不会影响记录速度；当某个FLASH芯片出现故障时，系统会隔离坏片降速记录，保证正常工作。
5 结论
随着军用电子装备的性能提升和功能扩展，数据记录仪开始向大容量、高速度、高可靠性方向发展。本文提出了一种基于嵌入式软核的记录仪设计方法，通过复用NIOS II 软核来实现对FLASH芯片控制、数据管理、记录流程控制，工程实践表明，本方法可以有效提高记录仪的存储密度和读写速度，且具有数据压缩率高、可靠性好、结构紧凑等特点。
【参考文献】
[1]胡建萍，王大全，吕幼华.一种雷达记录仪的数据采集软件系统[J].杭州电子工业学院学报，2002（01）：6-10.
[2]许正荣，昂志敏.PCI 总线主控接口在雷达回波记录与重演设备中的应用[J].现代电子技术，2004，27（05）：21-23.
[3]汪涛.基于SATA总线技术的雷达I/Q数据记录重演系统设计[D].南京：南京理工大学，2014.
[4]侯冰剑.固态硬盘的多通道存储系统设计[D].武汉：华中科技大学，2009.
[5]罗杰俊.基于Nios II的SOPC应用技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2009.
[6]蔡玥，陈鹏.基于小波分解的雷达记录仪数据压缩算法[J].空军雷达学院学报，2006，20（02）：114-117.
[责任编辑：朱丽娜]
