關于基于DM368的嵌入式數據記錄儀的設計與實現

0 引言

彈載數據記錄儀的主要作用是對導彈飛行中的各種數據信息進行采集與記錄，通過對數據記錄儀的信息進行回讀和分析，可以評估導彈在飛行過程中的性能，從而對其功能進行修改和完善。隨著信息技術的發展，彈載數據記錄儀在導彈的研制過程中有著越來越重要的作用，對其要求也越來越高，低功耗、大容量、小體積、高速度是當前彈載數據記錄儀的發展趨勢[1]。

基于以上原因和實際指標要求，本文設計了一種基于片上系統(System on Chip，SoC)芯片的數據記錄儀，采用高速大容量的Micro SD卡為存儲介質，使用德州儀器生產的TMS320DM368處理器作為主控芯片，在片上運行嵌入式Linux操作系統，進行相關的裁剪和移植，最終實現了1路PAL模擬視頻數據的采集及H.264格式壓縮存儲，1路CAN總線和RS422總線與彈載計算機通信和數據交互，并通過USB接口進行數據在上位機的回讀分析，以此評估飛行器的性能參數。本系統具有功耗低、成本低、數據存儲量大、工作溫度范圍大、可擴展性強等特點。

1 系統組成部分

彈載數據記錄儀主要實現在導彈飛行過程中對環境信息的視頻信息和飛行姿態參數信息的記錄存儲，在導彈落地后，通過配套的地面數據讀取設備和地面計算機配合讀出記錄儀中的試驗數據，最后由上位機軟件對數據進行分析處理。地面讀取裝置與地面計算機之間通過USB接口或者百兆網絡接口通信，將數據拷貝到本地存儲介質。數據記錄儀與地面讀取裝置的組成框圖如圖1所示。

本數據記錄儀實現了對多路信號的采集和記錄，存儲容量可以根據實際需求通過更換不同容量的SD卡來實現，且飛行試驗結束后數據回讀的實現方式快捷有效。記錄儀的主要技術指標如下：

(1)導彈電源系統為數據記錄儀提供+12 V的工作電壓，記錄儀的功耗低于6 W；

(2)采集1路PAL制式視頻數據，幀頻不低于25幀/s，可硬件實時壓縮存儲；

(3)包含1路CAN總線和1路RS422總線，實現飛行過程中數據實時接收；

(4)系統啟動時間小于10 s，且具有掉電保護功能；

(5)系統可正常工作的溫度范圍為-40 ℃~85 ℃。

數據記錄儀的功能框圖如圖2所示。

2 系統硬件平臺設計

受導彈艙體內空間的限制，同時考慮到導彈飛行過程中振動幅度大，本系統由3塊體積較小的板卡組成，分別為主控板、接口板和電源板，板卡之間由專用的接口連接，可方便固定在載體內部，并進行灌封保護。其中主控板負責接收視頻、RS422總線和CAN總線上的數據，并進行采集和存儲控制，此模塊是數據記錄儀的數據存儲模塊，會在艙體內進行灌封防護處理以保護數據安全；接口板負責RS422總線、CAN總線以及USB接口通信的實現；電源板負責電壓的轉換，給主控板和接口板提供所需的工作電壓。

2.1 主控制器和存儲模塊設計

本系統主控板上使用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，具有尺寸小、功耗低、編解碼速度快等優點[2]。其內部包含的ARM926EJ-S處理器工作頻率可達432 MHz，同時具有MJCP和HDVICP兩個協處理器，可實現MPEG、H.264等格式的壓縮處理，此外內部還集成視頻處理子系統及各種其他豐富的外部存儲或通信總線控制器。相比于傳統的基于DSP、FPGA的彈載平臺數據記錄儀，該平臺很大程度上減小了系統的復雜度，并且硬件實現視頻數據的編解碼，提高了壓縮比，減小了開發的難度。

由于板卡尺寸的限制以及考慮到NAND Flash存儲容量較小，系統沒有采用Flash芯片分組級聯的存儲方案，改用Micro SD卡作為壓縮視頻以及導彈飛行信息數據的存儲介質，將SD卡放置在主控板上。由于彈體在發射和落地時存在較高的過載和沖擊，為保護記錄儀數據的安全，需要對主控板進行整體灌封技術處理[3]。此外，主控板上模擬視頻采集模塊由TVP5150AM1芯片實現，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，正常工作時的功耗低于120 mW，并且封裝體積較小，完全滿足本數據記錄儀的應用需求。使用時通過I2C總線配置其內部寄存器，將采集到的CVBS信號轉換為8 bit BT.656格式數據輸出到DM368的視頻前端（VPFE）圖像采集端口，進行一些預處理后，視頻數據經過緩存模塊，實現編碼輸出或者壓縮存儲至SD卡，模擬視頻從采集到H.264壓縮存儲的數據處理流程如圖3所示。

2.2 通信模塊的設計

在數據記錄儀的接口板實現了1路RS422串行數據總線接口，用于與彈載計算機實現指令的傳送，RS422接口使用MAX3490芯片實現差分方式進行數據的傳輸，有效克服了通信過程中干擾、噪聲、傳輸效率低等缺點；1路CAN總線接收彈載計算機發送的飛行過程中的數據信息，接口板上使用帶SPI接口的獨立CAN控制器的MCP2515芯片實現，該器件主要由3部分組成：CAN通信協議模塊、CAN通信控制邏輯模塊、SPI接口協議模塊[4]。DM368主控芯片通過SPI接口，使用標準的SPI讀寫指令實現對MCP2515的初始化，以及數據發送和數據接收的功能操作。CAN總線的實現原理示意圖如圖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算機從數據記錄儀上讀回記錄數據。

3 系統軟件的設計

本數據記錄儀所使用的SoC芯片DM368內部集成的ARM926核主頻高達432 MHz，可以運行嵌入式Linux操作系統，有效實現對各種外設的控制和應用程序的執行。此外，片內的協處理器HDVICP對視頻數據進行H.264格式的壓縮編碼，大大減小了數據量，方便了傳輸和存儲，并且提高了圖像質量[5]。

嵌入式軟件平臺的設計主要包括對應外設的驅動程序的開發、所需功能的應用程序的實現以及系統運行參數的設置。本系統CAN總線模塊MCP2515的驅動是基于Socket CAN的網絡設備驅動，用于設備的初始化配置以及為應用程序提供接口。

在實際的飛行試驗中導彈發射后接收到相關指令后開始采集視頻數據，并記錄存儲一些飛行姿態參數，在系統斷電之前停止程序的運行，釋放占用的系統資源，確保數據正確地寫入存儲介質，斷電時數據不會丟失。根據以上數據記錄儀的任務需求，設計實現了基于Linux的多任務多進程的應用程序，系統初始化后，同時啟動視頻處理、RS422總線指令接收、CAN總線數據接收3個進程，由收到的相應指令執行對應的操作，提高了軟件執行效率，并且確保了功能穩定性。飛行狀態軟件實現流程圖如圖5所示。

3.1 視頻信號處理多線程實現

飛行中的場景信息由攝像頭采集到主控板上，在DM368處理器內進行H.264格式編碼壓縮，然后以文件的形式寫入到SD卡。對數據記錄儀的視頻處理的任務采用多線程技術，程序的實現分為4個交互運行線程：控制線程、采集線程、編碼線程和存儲線程。線程之間通過管道共享緩沖區，設置互斥鎖實現線程間的調度，提高了程序的執行效率。視頻處理多線程流程圖如圖6所示。

3.2SD卡存儲掉電保護

為確保SD卡存儲介質中的數據可靠安全地記錄下來，除了進行物理上的灌封保護措施，在軟件方面也進行了特殊處理。為了防止系統正常關閉前突然掉電可能導致數據丟失的情況發生，在對SD卡存儲操作的軟件實現上，使用fflush、fsync函數實現數據從緩沖區到磁盤的寫入，保證文件內容的更新速度。

4 系統功能測試

為對該系統的性能進行測試和評估，在實驗室搭建了模擬環境，主要針對系統技術指標進行了測試。使用PC向數據記錄儀發送控制指令，通過上位機調試軟件接收數據記錄儀反饋的信息，此外通過USB接口對SD卡存儲的數據進行回讀分析，視頻數據在SD卡內保存為后綴為h264的文件，CAN接收的數據保存為文本格式。

首先在數據記錄儀程序內記錄300 s內所處理的視頻幀數，通過串口將信息發送給上位機進行分析。實驗數據如表1所示。

由實驗結果可以計算出數據記錄儀平均每秒可以處理的視頻圖像為25.06幀，滿足設計指標的壓縮要求。

5 結論

本文中所設計的彈載數據記錄儀實現了多路數據的采集和存儲，具有體積小、功耗低、成本低的優點，采用低功耗的SoC作為主控器、高速大容量的SD卡作為存儲介質，很大程度上提高了數據記錄儀的性能。實際應用表明，該記錄儀滿足抗高過載、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。