基于嵌入式USB主机的飞空数据记录器设计

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飞控数据记录器俗称“飞机黑匣子”,被用于自动记录飞机在日常运行过程中各种飞行参数,待飞机返回地面后,将采集到飞行数据卸载到地面数据分析设备,经过数据分析软件处理过的飞行数据,可以为航空飞行器的开发、日常维护和飞行训练评估提供科学依据。本论文针对原有数据记录器存在问题:1)以串口作为数据卸载接口,给现场数据卸载带来不便。2)以NandFlash作为数据存储介质,没有考虑到NandFlash坏块和擦除寿命的问题,导致数据存储不安全。3)缺少数据文件管理,给分析人员带来使用不便。在原有的设计基础上,本论文重新设计了一种基于嵌入式USB主机技术的飞控数据记录装置,它以RS-422或RS-232作为数据采集接口,可以在无PC参与的情况下,通过数据记录装置的USB数据卸载接口快速地将飞行数据卸载到U盘中。并且,系统引入了FAT文件系统和NandFlash坏块管理驱动,克服了NandFlash数据存储的缺陷,实现NandFlash存储器、U盘和PC之间文件级的数据交换。本论文首先分析了飞控数据记录系统的结构原理以及数据记录器固态存储技术的国内外发展现状;针对本课题涉及的无人机的特点,提出了数据记录器的总体设计方案,以及软硬件的具体设计;在论文的最后,针对设计过程中遇到的问题,对今后数据记录器的待改进之处进行阐述。本论文所涉及主要技术包括:系统引入了嵌入式USB主机技术,对USB主机协议栈和大容量存储类(Mass Storage Class)进行了移植和改写,能够对市场上大部分品牌的U盘进行读写;针对NandFlash存储器,引入了FFS驱动管理,能够对NandFlash坏块管理和均衡磨损;在磁盘管理方面,引入了文件系统,可以以文件形式读/写存储器;硬件方面,对电源电路增加了浪涌保护,接口电路增加了ESD保护,以提高系统的安全性。本课题的研究成果表明设计的无人机飞控数据记录器满足了系统设计要求,并且对其他嵌入式系统数据存储设计有很好的借鉴设计。
摘要第3-5页
Abstract第5-6页
1 绪论第10-14页
    1.1 飞控数据记录系统综述第10页
    1.2 飞控数据记录器的国内外研究现状及分析第10-12页
        1.2.1 国外现状及趋势第10-11页
        1.2.2 国内现状及趋势第11-12页
    1.3 论文的研究意义及主要工作第12-13页
        1.3.1 选题背景第12页
        1.3.2 本课题的目的及意义第12-13页
    1.4 论文内容及安排第13页
    1.5 本章总结第13-14页
2 数据记录器的系统方案设计第14-21页
    2.1 飞控数据记录仪的功能要求及技术指标第14-15页
        2.1.1 飞控数据记录器实现的主要功能第14页
        2.1.2 技术指标第14-15页
    2.2 系统方案总体方案设计第15-18页
        2.2.1 微处理器第15-16页
        2.2.2 数据存储方案第16-17页
        2.2.3 数据卸载接口第17-18页
    2.3 数据记录器的系统原理第18-19页
        2.3.1 数据记录器硬件框图设计第18-19页
    2.4 本课题的主要研究内容第19-20页
    2.5 本章总结第20-21页
3 数据记录器的硬件设计第21-32页
    3.1 电源模块第21-24页
        3.1.1 供电电路第21-23页
        3.1.2 过压与浪涌保护电路第23页
        3.1.3 复位电路第23-24页
    3.2 系统存储电路第24-25页
        3.2.1 SRAM扩展第24页
        3.2.2 NAND Flash存储电路第24-25页
    3.3 UART数据通信第25-27页
        3.3.1 ESD保护第26页
        3.3.2 RS-232接口电路设计第26页
        3.3.3 RS-422接口电路设计第26-27页
        3.3.4 JTAG仿真调试接口第27页
    3.4 USB主机接口第27-31页
        3.4.1 USB系统构成第28-29页
        3.4.2 USB主机芯片第29-30页
        3.4.3 USB主机电路连接第30-31页
    3.5 本章总结第31-32页
4 数据记录器的应用软件设计第32-42页
    4.1 飞控数据记录器的软件需求第32-33页
    4.2 嵌入式操作系统的选取及移植第33-38页
        4.2.1 嵌入式操作系统的选取第33页
        4.2.2 μC/OS-Ⅱ在LPC2214上移植第33-38页
    4.3 数据记录器应用程序设计第38-41页
        4.3.1 任务划分第38-39页
        4.3.2 任务之间关系描述及优先级设置第39-41页
    4.4 本章总结第41-42页
5 驱动程序设计及FAT文件系统挂接第42-72页
    5.1 NANDFLASH控制驱动设计第42-45页
        5.1.1 K9F1G08操作和阵列结构第42-44页
        5.1.2 驱动程序编写第44-45页
    5.2 FFS驱动程序设计第45-53页
        5.2.1 NandFlash存在的问题及解决方法第46-47页
        5.2.2 FFS管理下的物理盘结构第47-49页
        5.2.3 FFS虚拟驱动原理第49-51页
        5.2.4 FFS驱动函数设计第51-53页
    5.3 USB主机工作原理第53-58页
        5.3.1 USB描述符第53-55页
        5.3.2 USB的四种传输类型第55页
        5.3.3 USB标准请求第55页
        5.3.4 USB包的结构及包的分类第55-57页
        5.3.5 USB主机工作流程第57-58页
    5.4 USB主机读写U盘驱动程序第58-68页
        5.4.1 USB主机协议栈结构第58-59页
        5.4.2 USB数据通路的建立第59-62页
        5.4.3 主机控制驱动(HCD)第62-63页
        5.4.4 USB总线驱动(USBD)第63-65页
        5.4.5 大容量设备类驱动设计第65-68页
    5.5 FAT文件系统与驱动挂接第68-71页
        5.5.1 FAT文件系统的逻辑结构第68-69页
        5.5.2 ZLG/FS驱动程序接口第69-70页
        5.5.3 ZLG/FS提供的API函数第70-71页
    5.6 本章总结第71-72页
6 系统功能测试第72-77页
    6.1 串口数据的接收和发送第72页
    6.2 USB主机读写U盘功能测试第72-74页
        6.2.1 加载HostMassLib库第73页
        6.2.2 加载ZLG/FS文件系统第73-74页
    6.3 NANDFLASH文件系统测试第74-75页
    6.4 系统整体测试第75-76页
    6.5 本章总结第76-77页
7 结论第77-80页
    7.1 论文总结第77-78页
    7.2 工作不足与展望第78-80页
参考文献第80-83页
攻读硕士学位期间发表的论文第83-84页
致谢第84-88页
附录第88页
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