無人機飛行數(shù)據(jù)記錄儀及掉電檢測與ram數(shù)據(jù)保護方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無人機飛行數(shù)據(jù)記錄儀及掉電檢測與RAM數(shù)據(jù)保護方法。本發(fā)明通過RS232或RS422串行接口輸入飛行數(shù)據(jù)，其內(nèi)部記錄的數(shù)據(jù)則可通過USB接口或內(nèi)部存儲器接口高速讀出；本發(fā)明隨無人機運行時，能夠記錄保存來自無人機飛行控制計算機串行接口的數(shù)據(jù)，在飛機失控墜毀、供電非正常切斷等災(zāi)難情況下，能夠監(jiān)測系統(tǒng)掉電信號，及時記錄之前接收的所有數(shù)據(jù)。飛行事故后通過找回隨無人機安裝的本發(fā)明，并讀出其保存的數(shù)據(jù)，能夠為無人機飛行事故分析提供有力證據(jù)。在常規(guī)飛行過程后，本發(fā)明所記錄的數(shù)據(jù)亦可作為改善、設(shè)計飛行控制率的有力依據(jù)。本發(fā)明具有體積小、功耗低、質(zhì)量輕、環(huán)境抵抗能力強、數(shù)據(jù)存儲速率高的特性。
【專利說明】無人機飛行數(shù)據(jù)記錄儀及掉電檢測與RAM數(shù)據(jù)保護方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)記錄儀，尤其涉及一種針對無人機用的機載數(shù)據(jù)記錄儀以及一種適用于飛行數(shù)據(jù)記錄儀的掉電檢測與掉電過程中RAM數(shù)據(jù)保護的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無人機是當代熱門研究領(lǐng)域之一，與有人機相比，無人機具有低成本、低風險的優(yōu)勢；在監(jiān)測監(jiān)控、電視電影航拍等領(lǐng)域已經(jīng)取得了可觀的價值。無人機作為一種飛行器、其控制率設(shè)計、開發(fā)具有一定的復雜度，往往需要大量高采樣率的試飛數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)意義上的遠距離數(shù)傳鏈路往往無法滿足高采樣率引起的高帶寬要求；無人機的電力供給、負載能力一般也相當有限；部分無人機的價格高昂，在無人機系統(tǒng)發(fā)生致命錯誤導致其墜毀后，往往希望能夠獲得以較高速率存儲的墜毀前關(guān)鍵數(shù)據(jù)，用以分析事故原因。若存在一種儀器，其能滿足:1、低功耗；2、輕質(zhì)量；3、高機械強度；4、以簡單可靠的接口(如串行接口)接收數(shù)據(jù)，并將其可靠存儲在儀器內(nèi)部大存儲器中；該存儲器能夠記錄足夠長時間的飛行數(shù)據(jù)，如48小時以上；5、能通過PC機將內(nèi)部數(shù)據(jù)快速讀出；6、發(fā)生突然掉電事故時，所有輸入數(shù)據(jù)完整記錄不丟失。那么由其采集的飛行數(shù)據(jù)將對控制率的設(shè)計與分析工作或墜機事故后的分析與鑒定工作提供強有力的支持。這必須解決飛行數(shù)據(jù)記錄儀的可靠封裝、串行接口至存儲器接口轉(zhuǎn)換、存儲器接口至USB接口轉(zhuǎn)換、掉電檢測與掉電過程中RAM中數(shù)據(jù)保護的問題。
[0003]從目前無人機機載相關(guān)儀器來看，雖然有基于ARM架構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)的飛行數(shù)據(jù)記錄儀，但由于其采用通用處理器，結(jié)構(gòu)體系過于冗雜，且由于其受到文件系統(tǒng)存儲機制限制，斷電時刻存儲于RAM中的數(shù)據(jù)往往會因為沒能寫入Flash中而丟失，無法完全保證飛行數(shù)據(jù)的完整、可靠記錄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有無人機數(shù)據(jù)記錄需求與現(xiàn)存產(chǎn)品的不足，提供一種針對無人機用的機載數(shù)據(jù)記錄儀與一種適用于飛行數(shù)據(jù)記錄儀的掉電檢測與掉電過程中RAM數(shù)據(jù)保護的方法。
[0005]本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn):一種無人機飛行數(shù)據(jù)記錄儀，它主要由外殼封裝與電路板組成；外殼封裝包括鋁合金外殼、鋁合金上蓋、灌封硅膠和串行數(shù)據(jù)接口及USB接口，電路板固定在由鋁合金外殼和鋁合金上蓋組成的內(nèi)部空間中，灌封硅膠充滿該內(nèi)部空間并密封電路板，電路板分別與串行數(shù)據(jù)接口及USB接口相連。
[0006]進一步地，所述電路板主要由串行接口電平轉(zhuǎn)換模塊、Flash存儲模塊、系統(tǒng)控制模塊、供電監(jiān)測模塊、USB通訊模塊和穩(wěn)壓模塊組成；其中，所述串行接口電平轉(zhuǎn)換模塊、Flash存儲模塊、供電監(jiān)測模塊、USB通訊模塊和穩(wěn)壓模塊均與系統(tǒng)控制模塊相連。串行接口電平轉(zhuǎn)換模塊與串行數(shù)據(jù)接口相連，USB通訊模塊與USB接口相連。
[0007]上述無人機飛行數(shù)據(jù)記錄儀掉電檢測與掉電時的RAM數(shù)據(jù)保護方法包含以下步驟:
(1)無人機飛行數(shù)據(jù)記錄儀工作時，供電監(jiān)測模塊實時將供電電壓與內(nèi)部參考基準電壓4.63V進行比較,一旦發(fā)生供電電壓低于內(nèi)部參考電壓4.63V時,供電監(jiān)測模塊即向系統(tǒng)控制模塊發(fā)出系統(tǒng)掉電信號；
(2)在系統(tǒng)控制模塊工作過程中，以IMHz頻率進行掉電信號監(jiān)測，一旦檢測到掉電信號，即使內(nèi)部SRAM中的接收數(shù)據(jù)未及4096字節(jié)，系統(tǒng)控制模也強制將內(nèi)部SRAM數(shù)據(jù)寫入Flash中，不足一頁的由數(shù)據(jù)“O”補全；
(3)進行上述步驟2的掉電數(shù)據(jù)保護操作后，系統(tǒng)控制模塊停止操作Flash存儲模塊，并使能Flash存儲模塊的硬件寫保護，以防在電壓不足時對Flash芯片的擦除、寫入操作損壞Flash內(nèi)部數(shù)據(jù)；
(4)整個系統(tǒng)靜態(tài)地等待系統(tǒng)內(nèi)部電力耗盡；
(5)在供電監(jiān)測模塊發(fā)出掉電信號后，如果系統(tǒng)供電恢復正常，供電監(jiān)測模塊向系統(tǒng)控制模塊撤銷掉電信號；
(6)系統(tǒng)控制模塊一旦發(fā)現(xiàn)掉電監(jiān)測信號被撤銷，則表示該掉電信號可能為供電系統(tǒng)不穩(wěn)或外部強干擾導致，系統(tǒng)將繼續(xù)正常記錄數(shù)據(jù)。
[0008]本發(fā)明的有益效果是，無人機用戶在無人機中安裝本發(fā)明后，可以在飛行后通過本發(fā)明提出的無人機飛行數(shù)據(jù)記錄儀獲得無人機飛行時存入本發(fā)明的飛行數(shù)據(jù)；在墜機等意外事故發(fā)生之后，也可以通過本發(fā)明找回事故前的飛行數(shù)據(jù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明電路部分結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明中系統(tǒng)控制模塊的工作流程圖；
圖4是系統(tǒng)控制模塊中的數(shù)據(jù)記錄工作流程圖；
圖5是系統(tǒng)控制模塊中與USB控制模塊交互的工作流程圖；
圖6是本發(fā)明中的掉電檢測與掉電過程中RAM數(shù)據(jù)保護的方法的工作示意圖；
圖中，鋁合金外殼1、鋁合金上蓋2、電路板3、灌封硅膠4、串行數(shù)據(jù)接口 5、USB接口 6。
【具體實施方式】
[0010]如圖1所示，無人機飛行數(shù)據(jù)記錄儀結(jié)構(gòu)上主要由外殼封裝與電路板3組成。外殼封裝包括鋁合金外殼1、鋁合金上蓋2、灌封硅膠4、串行數(shù)據(jù)接口 5和USB接口 6，電路板3固定在由鋁合金外殼I和鋁合金上蓋2組成的內(nèi)部空間，灌封硅膠4充滿該內(nèi)部空間并密封電路板3，電路板3與串行數(shù)據(jù)接口 5及USB接口 6相連。
[0011]鋁合金外殼機械結(jié)構(gòu)中，厚壁的鋁合金外殼I和鋁合金上蓋2保證儀器在沖擊、振動環(huán)境下的機械完整性；由鋁合金外殼I和鋁合金上蓋2構(gòu)成的完整屏蔽結(jié)構(gòu)可以為內(nèi)部電路提供優(yōu)秀的電磁兼容性能。如圖1所示，鋁合金外殼I內(nèi)安裝電路板3，并充滿灌封硅膠4，該灌封硅膠4可采用KENSEER 909型號雙組份灌封硅膠，其具有一定彈性與阻尼，吸收無人機飛行、事故時的沖擊與振動，保證內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)的可靠性；該灌封膠將內(nèi)部電路整體密封，提高其在潮濕、霉菌環(huán)境下的可靠性。[0012]如圖2所示，電路板3主要由串行接口電平轉(zhuǎn)換模塊、Flash存儲模塊、系統(tǒng)控制模塊、供電監(jiān)測模塊、USB通訊模塊和穩(wěn)壓模塊組成。其中，串行接口電平轉(zhuǎn)換模塊、Flash存儲模塊、供電監(jiān)測模塊、USB通訊模塊和穩(wěn)壓模塊均與系統(tǒng)控制模塊相連。串行接口電平轉(zhuǎn)換模塊與串行數(shù)據(jù)接口 5相連，USB通訊模塊與USB接口 6相連。
[0013]下面詳細描述各模塊的工作過程。
[0014]串行接口電平轉(zhuǎn)換模塊將RS232或RS422接口電平轉(zhuǎn)換為3.3V數(shù)字接口電平，當選用RS232接口電平時，該模塊可由MAX3232芯片實現(xiàn)；當選用RS422接口電平時，該模塊可以由MAX3490芯片實現(xiàn)。
[0015]Flash存儲模塊為系統(tǒng)提供足夠大的存儲容量，考慮到成本與可靠性，本發(fā)明中該模塊選用IG字節(jié)SLC NAND Flash芯片實現(xiàn)。
[0016]USB通訊模塊實現(xiàn)與PC機的數(shù)據(jù)傳輸功能，如圖5，其工作時使用USB終端接收來自PC機的指令，指令分為兩種:數(shù)據(jù)傳輸指令與數(shù)據(jù)刪除指令。當該模塊接收到數(shù)據(jù)傳輸指令后，該模塊通過與系統(tǒng)控制模塊相連的8位數(shù)據(jù)線傳輸“讀取Flash數(shù)據(jù)”指令，并以Slash FIFO模式打開USB終2的塊傳輸接收模式，等待系統(tǒng)控制模塊將數(shù)據(jù)傳入USB終端。該模塊可使用USB控制器CY7C68013實現(xiàn)。
[0017]系統(tǒng)控制模塊負責系統(tǒng)工作模式調(diào)度、NAND Flash控制、與USB通訊模塊交互等功能，該控制模塊可由FPGA芯片XC3S50AN實現(xiàn)。
[0018]供電監(jiān)測模塊負責比較實際供電電壓與額定工作電壓的偏離，在實際供電電壓過低時向系統(tǒng)控制模塊發(fā)出掉電信號。該模塊可由MAX811L實現(xiàn)，其通過監(jiān)測系統(tǒng)電源輸入端的電壓，當該電壓低于4.63V時，將給出系統(tǒng)掉電信號，此時系統(tǒng)內(nèi)部的電容器內(nèi)存儲的電量仍能夠位置系統(tǒng)工作IOOms左右。系統(tǒng)控制模塊的工作流程如圖3所示:
當系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)控制模塊檢測USB接口 Vbus電壓信號，若Vbus為0，那么認為USB接口沒有連接至計算機，那么系統(tǒng)工作為數(shù)據(jù)記錄狀態(tài)；如果系統(tǒng)控制模塊檢測到Vbus信號，那么系統(tǒng)已經(jīng)通過USB 口連接至計算機，系統(tǒng)工作為數(shù)據(jù)傳輸或數(shù)據(jù)刪除狀態(tài)。當系統(tǒng)工作為數(shù)據(jù)傳輸或數(shù)據(jù)刪除狀態(tài)時，系統(tǒng)等待來自USB通訊模塊的數(shù)據(jù)傳輸或數(shù)據(jù)刪除指令，如果接收到數(shù)據(jù)刪除指令，系統(tǒng)控制模塊執(zhí)行數(shù)據(jù)刪除流程將Flash芯片內(nèi)數(shù)據(jù)清除；如果接受到數(shù)據(jù)傳輸指令，系統(tǒng)控制模塊執(zhí)行Flash芯片讀取流程，將Flash芯片內(nèi)數(shù)據(jù)傳入USB通訊模塊。
[0019]當系統(tǒng)控制模塊工作在數(shù)據(jù)記錄狀態(tài)時，系統(tǒng)控制模塊的數(shù)據(jù)記錄工作流程如圖4所示:系統(tǒng)控制模塊首先掃描Flash芯片以尋找標號最小的空白塊作為開始寫入的地址。空白塊的標記作用在Flash芯片每塊的第O頁備用區(qū)中，如果該塊不是空白塊，則該塊的第O頁備用區(qū)全為“O” ；空白塊的第O頁備用區(qū)則全為“I”。如果上述過程未找到空白塊，則表示系統(tǒng)存儲空間已滿，那么格式化第O塊與第I塊,并將第O塊作為起始寫入地址。系統(tǒng)控制模塊能檢測并讀取串行接口數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)暫時存儲在系統(tǒng)控制模塊內(nèi)部的SRAM中，當該SRAM中的數(shù)據(jù)達到4096字節(jié)時，系統(tǒng)控制模塊一次性將這4096字節(jié)數(shù)據(jù)寫入Flash芯片的一個空白頁中；如果上述寫入的空白頁是該塊中的最有一頁，那么下一次寫入地址塊號跳轉(zhuǎn)到下一個有效塊中，下一次寫入地址頁號跳轉(zhuǎn)到O。如果上述寫入的空白頁不是該塊中的最有一頁，那么下一次寫入地址頁號加I。Flash芯片的無效塊在本飛行數(shù)據(jù)記錄儀生產(chǎn)時掃描并寫入FPGA程序中，并在跳轉(zhuǎn)到下一個有效塊號操作時進行判斷，如果下一塊號恰好是無效塊，那么再跳轉(zhuǎn)到下下塊號作為下次寫入地址。在系統(tǒng)控制模塊工作正常，且Flash記錄地址正常條件下，系統(tǒng)控制模塊將通過串行接口向無人機的飛行控制計算機發(fā)送飛行數(shù)據(jù)記錄儀狀態(tài)幀。
[0020]考慮無人機的數(shù)據(jù)記錄幀長度，串行接口的波特率設(shè)定在11520-256000比較合理。
[0021]本發(fā)明的掉電檢測與掉電時的RAM數(shù)據(jù)保護方法包含以下步驟，由圖6所示:
1、系統(tǒng)工作時，供電監(jiān)測模塊就開始實時將供電電壓與內(nèi)部參考基準電壓4.63V進行比較，一旦發(fā)生供電電壓低于內(nèi)部參考電壓4.63V時,供電監(jiān)測模塊即向系統(tǒng)控制模塊發(fā)出系統(tǒng)掉電信號；
2、在系統(tǒng)控制模塊工作過程中，以IMHz頻率進行掉電信號監(jiān)測，一旦檢測到掉電信號，即使內(nèi)部SRAM中的接收數(shù)據(jù)未及4096字節(jié)，系統(tǒng)控制模也強制將內(nèi)部SRAM數(shù)據(jù)寫入Flash中，不足一頁的由數(shù)據(jù)“0”補全；
3、進行上述掉電數(shù)據(jù)保護操作后，系統(tǒng)控制模塊停止操作Flash存儲模塊，并使能Flash存儲模塊的硬件寫保護，以防在電壓不足時對Flash芯片的擦除、寫入操作損壞Flash內(nèi)部數(shù)據(jù)；
4、整個系統(tǒng)靜態(tài)地等待系統(tǒng)內(nèi)部電力耗盡；
5、在供電監(jiān)測模塊發(fā)出掉電信號后，如果系統(tǒng)供電恢復正常，供電監(jiān)測模塊向系統(tǒng)控制模塊撤銷掉電信號；
6、系統(tǒng)控制模塊一旦發(fā)現(xiàn)掉電監(jiān)測信號被撤銷，則表示該掉電信號可能為供電系統(tǒng)不穩(wěn)或外部強干擾導致，系統(tǒng)將繼續(xù)正常記錄數(shù)據(jù)。
【權(quán)利要求】
1.一種無人機飛行數(shù)據(jù)記錄儀，其特征在于，它主要由外殼封裝與電路板組成；外殼封裝包括鋁合金外殼、鋁合金上蓋、灌封硅膠和串行數(shù)據(jù)接口及USB接口，電路板固定在由鋁合金外殼和鋁合金上蓋組成的內(nèi)部空間中，灌封硅膠充滿該內(nèi)部空間并密封電路板，電路板分別與串行數(shù)據(jù)接口及USB接口相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述無人機飛行數(shù)據(jù)記錄儀，其特征在于，所述電路板主要由串行接口電平轉(zhuǎn)換模塊、Flash存儲模塊、系統(tǒng)控制模塊、供電監(jiān)測模塊、USB通訊模塊和穩(wěn)壓模塊組成；其中，所述串行接口電平轉(zhuǎn)換模塊、Flash存儲模塊、供電監(jiān)測模塊、USB通訊模塊和穩(wěn)壓模塊均與系統(tǒng)控制模塊相連；串行接口電平轉(zhuǎn)換模塊與串行數(shù)據(jù)接口相連，USB通訊模塊與USB接口相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述無人機飛行數(shù)據(jù)記錄儀，其特征在于，飛行數(shù)據(jù)記錄儀上電后，系統(tǒng)控制模塊檢測USB接口 Vbus電壓信號，若Vbus為O，認為USB接口沒有連接至計算機，系統(tǒng)工作為數(shù)據(jù)記錄狀態(tài)；如果系統(tǒng)控制模塊檢測到Vbus信號，系統(tǒng)已經(jīng)通過USB 口連接至計算機，系統(tǒng)工作為數(shù)據(jù)傳輸或數(shù)據(jù)刪除狀態(tài)；當系統(tǒng)工作為數(shù)據(jù)傳輸或數(shù)據(jù)刪除狀態(tài)時，系統(tǒng)等待來自USB通訊模塊的數(shù)據(jù)傳輸或數(shù)據(jù)刪除指令，如果接收到數(shù)據(jù)刪除指令，系統(tǒng)控制模塊執(zhí)行數(shù)據(jù)刪除流程將Flash芯片內(nèi)數(shù)據(jù)清除；如果接受到數(shù)據(jù)傳輸指令，系統(tǒng)控制模塊執(zhí)行Flash芯片讀取流程，將Flash芯片內(nèi)數(shù)據(jù)傳入USB通訊模塊；當系統(tǒng)控制模塊工作在數(shù)據(jù)記錄狀態(tài)時，系統(tǒng)控制模塊首先掃描Flash芯片以尋找標號最小的空白塊作為開始寫入的地址，空白塊的標記作用在Flash芯片每塊的第O頁備用區(qū)中，如果該塊不是空白塊，則該塊的第O頁備用區(qū)全為“O” ；空白塊的第O頁備用區(qū)則全為“I” ；如果上述過程未找到空白塊，則表示系統(tǒng)存儲空間已滿，格式化第O塊與第I塊，并將第O塊作為起始寫入地址；系統(tǒng)控制模塊能檢測并讀取串行接口數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)暫時存儲在系統(tǒng)控制模塊內(nèi)部的SRAM中，當該SRAM中的數(shù)據(jù)達到4096字節(jié)時，系統(tǒng)控制模塊一次性將這4096字節(jié)數(shù)據(jù)寫入Flash芯片的一個空白頁中；如果上述寫入的空白頁是該塊中的最有一頁，那么下一次寫入地址.塊號跳轉(zhuǎn)到下一個有效塊中，下一次寫入地址頁號跳轉(zhuǎn)到O ;如果上述寫入的空白頁不是該塊中的最有一頁，那么下一次寫入地址頁號加I ;Flash芯片的無效塊在本飛行數(shù)據(jù)記錄儀生產(chǎn)時掃描并寫入FPGA程序中，并在跳轉(zhuǎn)到下一個有效塊號操作時進行判斷，如果下一塊號恰好是無效塊，那么再跳轉(zhuǎn)到下下塊號作為下次寫入地址；在系統(tǒng)控制模塊工作正常，且Flash記錄地址正常條件下，系統(tǒng)控制模塊將通過串行接口向無人機的飛行控制計算機發(fā)送飛行數(shù)據(jù)記錄儀狀態(tài)幀。
4.一種權(quán)利要求1所述無人機飛行數(shù)據(jù)記錄儀掉電檢測與掉電時的RAM數(shù)據(jù)保護方法，其特征在于，包含以下步驟: (1)無人機飛行數(shù)據(jù)記錄儀工作時，供電監(jiān)測模塊實時將供電電壓與內(nèi)部參考基準電壓4.63V進行比較,一旦發(fā)生供電電壓低于內(nèi)部參考電壓4.63V時,供電監(jiān)測模塊即向系統(tǒng)控制模塊發(fā)出系統(tǒng)掉電信號； (2)在系統(tǒng)控制模塊工作過程中，以IMHz頻率進行掉電信號監(jiān)測，一旦檢測到掉電信號，即使內(nèi)部SRAM中的接收數(shù)據(jù)未及4096字節(jié)，系統(tǒng)控制模也強制將內(nèi)部SRAM數(shù)據(jù)寫入Flash中，不足一頁的由數(shù)據(jù)“O”補全； (3)進行上述步驟2的掉電數(shù)據(jù)保護操作后，系統(tǒng)控制模塊停止操作Flash存儲模塊，并使能Flash存儲模塊的硬件寫保護，以防在電壓不足時對Flash芯片的擦除、寫入操作損壞Flash內(nèi)部數(shù)據(jù)； (4)整個系統(tǒng)靜態(tài)地等待系統(tǒng)內(nèi)部電力耗盡； (5)在供電監(jiān)測模塊發(fā)出掉電信號后，如果系統(tǒng)供電恢復正常，供電監(jiān)測模塊向系統(tǒng)控制模塊撤銷掉電信號； (6)系統(tǒng)控制模塊一旦發(fā)現(xiàn)掉電監(jiān)測信號被撤銷，則表示該掉電信號可能為供電系統(tǒng)不穩(wěn)或外部強干擾導致 ，系統(tǒng)將繼續(xù)正常記錄數(shù)據(jù)。
【文檔編號】G06F12/16GK103440211SQ201310324156
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月28日
【發(fā)明者】韓波, 李辰, 李平 申請人:浙江大學