馬　良，翟　涌

(北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院，北京　100081)

0　引言

自動變速操縱是一個傳感器多、控制復(fù)雜的機電液一體化的復(fù)雜系統(tǒng)。控制過程中信號不僅路數(shù)多，而且變化快，很難通過人工直接觀測的方法分析研究[1-2]。因此對于變速控制系統(tǒng)的研發(fā)，高速的同步隨車數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)必不可少。雖然，隨著電子技術(shù)新成果的不斷引進，數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展；但是，目前大多數(shù)存儲系統(tǒng)不符合車輛控制研究的特色，實用性差、成本高、性價比低。因此針對變速控制系統(tǒng)的研究需求，充分考慮了實車運行過程中振動沖擊強、溫度變化范圍大等特點，設(shè)計開發(fā)了滿足要求的高速車載數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)。由于NAND FLASH容量大、成本低、抗震動沖擊能力強等特點，選用NAND FLASH為存儲設(shè)備，運用流水線技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速存儲[3]。

1　系統(tǒng)整體設(shè)計方案

車輛自動變速控制系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器等相關(guān)信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路存入電子控制單元ECU中，之后通過RS-232總線發(fā)送到系統(tǒng)下位機。為了滿足數(shù)據(jù)實時采集存儲的要求，系統(tǒng)的下位機內(nèi)部預(yù)留了兩塊16KB的數(shù)據(jù)緩存。在數(shù)據(jù)采集過程中，下位機通過串口通信接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入預(yù)留好的第一塊緩存中，當(dāng)該緩存滿之后，數(shù)據(jù)被存入第二塊緩存中，同時將第一塊緩存中的數(shù)據(jù)存入NAND FLASH。系統(tǒng)在每次開始數(shù)據(jù)采集之前，都會為本次采集的數(shù)據(jù)創(chuàng)建文件信息，并將文件信息存入NAND FLASH的相應(yīng)數(shù)據(jù)塊中。數(shù)據(jù)采集完畢之后，下位機通過內(nèi)部的SPI模塊，并根據(jù)保存的文件信息，將數(shù)據(jù)存入SD卡中。最后，將SD卡中的數(shù)據(jù)復(fù)制到上位機進行分析處理。系統(tǒng)移植了FAT32文件系統(tǒng)，可以將數(shù)據(jù)以二進制文件的形式存入SD卡，方便上位機直接識別和處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

系統(tǒng)分為下位機和上位機2個部分，下位機采用了Freescale公司的32位微控制器MCF51JM128作為主要的控制器件，該控制器提供了128KB的FLASH存儲區(qū)和16KB的RAM存儲區(qū)，同時包含豐富的功能模塊，可以滿足系統(tǒng)使用要求[4]。系統(tǒng)的下位機通過RS232總線采集數(shù)據(jù)，并使用MAX232芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)的存儲芯片主要選用了512B的EEPROM和Samsung公司的2GB NAND FLASH芯片K9WAG08U1A，其中EEPROM由于讀寫靈活，主要用于存儲NAND FLASH的壞塊信息和一些基本的文件信息，NAND FLASH用于存儲采集的數(shù)據(jù)。

根據(jù)K9WAG08U1A的芯片手冊，該芯片的壞塊個數(shù)不超過328塊，一般出廠時只有30塊左右的壞塊。EEPROM中一條壞塊信息占兩個字節(jié)，可以至少存儲200條壞塊信息，實際使用過程中FLASH產(chǎn)生新壞塊的情況并不多[5]，所以可以滿足系統(tǒng)的性能要求。

下位機中微控制器MCF51JM128的工作電壓為5 V，而FLASH芯片的工作電壓為2.7～3.6 V[3]，所以系統(tǒng)選用了電壓轉(zhuǎn)換芯片74ALVC164245。74ALVC164245同時支持2個數(shù)據(jù)組，共16位數(shù)據(jù)的雙向電壓轉(zhuǎn)換，其中每組8位數(shù)據(jù)，由各自的方向控制位控制電壓的轉(zhuǎn)換方向，在使用過程中需要動態(tài)修改方向控制位的值。為了保證系統(tǒng)的時間準(zhǔn)確，下位機中采用了時鐘芯片DS1302，當(dāng)下位機斷電后通過電池給該芯片供電。

系統(tǒng)的上位機主要用于數(shù)據(jù)的分析和處理，同時可以通過RS-232總線與下位機通信，設(shè)置下位機的一些參數(shù)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3　系統(tǒng)存儲原理

系統(tǒng)選用大容量NAND FLASH存儲設(shè)備K9WAG08U1A作為主要的存儲器件，其存儲空間是按照塊和頁的概念來組織的。K9WAG08U1A共包含16384個數(shù)據(jù)塊(Block)，每塊包含64頁(Page)，每一頁有2048B數(shù)據(jù)區(qū)和64B備用區(qū)，備用區(qū)在頁的末尾，主要用于存儲壞塊信息、ECC代碼等數(shù)據(jù)。

K9WAG08U1A內(nèi)部由兩塊容量為1GB的K9K8G08U0A組成，它們通過2個片選信號CE1和CE2分別使能。每一塊K9K8G08U0A內(nèi)部又由兩塊容量為512MB的K9F4G08U0A組成，雖然這兩塊K9F4G08U0A共用同一個片選信號，但它們的頁地址范圍不同，可以給定不同的頁地址和數(shù)據(jù)內(nèi)容，實現(xiàn)兩塊K9F4G08U0A之間的交錯頁編程。由此可知，K9WAG08U1A由四塊容量為512MB的K9F4G08U0A組成，它們共用8個I/O引腳和CLE、ALE等引腳，通過指定片選信號和給定不同的頁地址，可以實現(xiàn)四塊K9F4G08U0A交錯頁編程。K9WAG08U1A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　K9WAG08U1A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

NAND FLASH的讀寫操作通常是以頁為單位的，當(dāng)向FLASH中存入一頁數(shù)據(jù)時，下位機先發(fā)送完頁編程指令、存儲地址和2 KB數(shù)據(jù)之后，F(xiàn)LASH芯片自動完成內(nèi)部的頁編程操作。在自動編程過程中，F(xiàn)LASH芯片通過內(nèi)部程序?qū)?shù)據(jù)從數(shù)據(jù)寄存器保存到指定的存儲空間，其R/B端口將被拉低，表示芯片正處于忙工作狀態(tài)，該過程需要的典型時間為200 μs，最大時間為700 μs[6]．通常情況下，下位機需要等待FLASH內(nèi)部頁編程結(jié)束后，才能繼續(xù)向FLASH中存儲數(shù)據(jù)。對于單片F(xiàn)LASH的單頁編程操作，每次下位機要等待FLASH芯片的內(nèi)部編程結(jié)束后，才能開始存儲下一頁數(shù)據(jù)，這樣大量時間耗費在頁編程過程中，很大程度上限制了系統(tǒng)存儲速度的提高。

K9WAG08U1A內(nèi)部由四塊K9F4G08U0A組成，它們之間可以交互編程，互不干擾，而NAND FLASH的內(nèi)部編程可以自動完成，不需要下位機干預(yù)，所以可以借鑒流水線技術(shù)，提高NAND FLASH的頁編程速度[7]。具體實現(xiàn)過程如下：首先加載數(shù)據(jù)到第一片K9F4G08U0A，當(dāng)該芯片開始自動編程后，下位機不再等待，而是繼續(xù)加載數(shù)據(jù)到第二片K9F4G08U0A，當(dāng)?shù)诙酒_始自動編程后，加載數(shù)據(jù)到第三片芯片，依次執(zhí)行下去，當(dāng)加載數(shù)據(jù)到第四片K9F4G08U0A完成之后，第一片芯片的自動編程已經(jīng)執(zhí)行完畢，可以循環(huán)繼續(xù)加載新的數(shù)據(jù)，這樣就可以將FLASH的內(nèi)部自動編程時間等效為0，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲速度?；诹魉€技術(shù)的數(shù)據(jù)存儲原理圖如圖4所示。

圖4　基于流水線技術(shù)的數(shù)據(jù)存儲原理圖

4　系統(tǒng)壞塊管理

NAND FLASH在生產(chǎn)及使用過程中都有可能產(chǎn)生壞塊，這將使得系統(tǒng)變得不穩(wěn)定[8]。文中設(shè)計的數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)中，選用了512B的EEPROM作為存儲FLASH壞塊信息的設(shè)備。EEPROM讀寫靈活，同時支持單字節(jié)和多字節(jié)讀寫，有利于壞塊信息的讀取和更新。系統(tǒng)在用于實車實驗之前，先要調(diào)用相應(yīng)程序檢測NAND FLASH在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的壞塊，并將壞塊信息存入EEPROM中。系統(tǒng)在實際使用過程中，根據(jù)FLASH的頁編程和擦除操作結(jié)果，判斷是否有壞塊信息產(chǎn)生，如果頁編程或擦除失敗，表明當(dāng)前數(shù)據(jù)塊為壞塊，并同時更新EEPROM中的壞塊信息，如果為頁編程失敗，系統(tǒng)還得將數(shù)據(jù)備份到FLASH中的有效塊中。

系統(tǒng)下位機在向FLASH中存入數(shù)據(jù)之前，首選要判斷FLASH中將要存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊是否為有效塊，如果當(dāng)前數(shù)據(jù)塊為壞塊，則系統(tǒng)將數(shù)據(jù)塊地址加1，跳過當(dāng)前數(shù)據(jù)塊，然后判斷下一數(shù)據(jù)塊是否有效，直到找到有效的數(shù)據(jù)塊為止。系統(tǒng)通過將數(shù)據(jù)塊地址與壞塊列表中的信息進行比較，來判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)塊是否有效。當(dāng)跳過壞塊后，系統(tǒng)會同時更新當(dāng)前文件的文件信息的內(nèi)容，記錄跳過的壞塊個數(shù)，保證文件能準(zhǔn)確導(dǎo)入到SD卡中。

5　系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)的下位機程序采用C語言編寫，主要包含數(shù)據(jù)采集、FLASH數(shù)據(jù)存儲、EEPROM數(shù)據(jù)存儲、SD卡文件存儲、實時時鐘讀寫等功能模塊。系統(tǒng)的上位機軟件采用Visual Basic編寫，主要用于設(shè)置下位機的參數(shù)和分析處理采集到的數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)采集模塊中，下位機通過SCI模塊接收串口傳輸過來的數(shù)據(jù)，使用中斷服務(wù)子程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)存入下位機的內(nèi)部緩存中，同時更改數(shù)據(jù)緩存是否已滿的標(biāo)志，通知系統(tǒng)及時切換數(shù)據(jù)緩存和存儲已采集的數(shù)據(jù)。

在FLASH數(shù)據(jù)存儲模塊中，系統(tǒng)主要通過循環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的流水線存儲，為了支持多于8 KB的數(shù)據(jù)存儲，在向各片K9F4G08U0A中加載數(shù)據(jù)之前，都要先讀芯片的狀態(tài)寄存器，判斷上一次加載的數(shù)據(jù)是否保存成功，然后依次加載數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)都加載完畢后，系統(tǒng)會再次讀芯片的狀態(tài)寄存器，確保最后一次加載的數(shù)據(jù)成功保存。系統(tǒng)使用了交錯頁編程功能，無法通過讀R/B信號來判斷各片K9F4G08U0A內(nèi)部頁編程是否執(zhí)行完畢，需要分別是用0xF1和0xF2指令，同時配合兩個片選信號R/B1和R/B2，來讀各片K9F4G08U0A的狀態(tài)寄存器，根據(jù)返回值的第6位(I/O6)判斷內(nèi)部頁編程是否執(zhí)行完畢，根據(jù)第0位(I/O0)判斷頁編程是否成功。

如果FLASH在頁編程過程中，出現(xiàn)了編程失敗的情況，為了不影響數(shù)據(jù)的采集過程，下位機會先將數(shù)據(jù)備份到FLASH中的數(shù)據(jù)備份區(qū)，同時更新壞塊信息和文件信息，等待數(shù)據(jù)采集完畢之后，再重新處理備份的數(shù)據(jù)。NAND FLASH的制造廠商保證FLASH第0塊為有效塊，所以系統(tǒng)選擇FLASH的第0塊的前30頁用于存儲文件信息，后34頁作為數(shù)據(jù)備份區(qū)。該系統(tǒng)有2片K9K8G08U0A，所以有兩個物理地址為0的塊，可以選擇兩個數(shù)據(jù)塊，用于存儲文件信息和備份數(shù)據(jù)。為了防止第0塊在使用過程中變?yōu)閴膲K，第0塊中的所有數(shù)據(jù)都得在第1塊中備份，系統(tǒng)每次上電都要比較兩塊中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的FLASH數(shù)據(jù)存儲流程圖如圖5所示。

在SD卡文件存儲模塊中，系統(tǒng)通過下位機的SPI模塊實現(xiàn)了對SD的初始化及讀寫等操作[4，9-10]。同時，系統(tǒng)移植了FatFs文件系統(tǒng)，支持Fat32文件系統(tǒng)格式，使得下位機創(chuàng)建的文件可以直接被上位機識別，方便了上位機的數(shù)據(jù)處理過程。

6　系統(tǒng)驗證

該車載數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)應(yīng)用在某型號AMT重型車輛上，通過與自動變速器ECU的串口通訊，進行了自動變速器控制參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。在采集過程中，通過下位機的定時器測得，采用流水線存儲技術(shù)后，F(xiàn)LASH的單頁平均編程時間可以至少縮短200 μs．某次采集所得的數(shù)據(jù)經(jīng)過文件格式轉(zhuǎn)換后，根據(jù)數(shù)據(jù)采集的通訊協(xié)議，在上位機軟件中顯示如圖6所示。TY為變速器選位行程；TX為換檔行程；NE為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；N1為變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速；N2為變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速；LC為離合器行程；LTH為油壓；LPH為油門踏板位置；PWM為占空比。

圖6　數(shù)據(jù)顯示與分析界面

7　結(jié)束語

文中設(shè)計了基于NAND FLASH的車載數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)，認(rèn)真分析了K9WAG08U1A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，運用了流水線技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速存儲。通過大量隨車實用表明，系統(tǒng)硬件合理、可靠，軟件功能豐富、實用，滿足車輛變速控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)的使用要求。

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