嵌入式車載設備中存儲系統的抗干擾技術研究

魏峰+田錦

摘 要： 在此論述了嵌入式車載終端的存儲系統抗干擾設計方法。以車載終端在現實工作環境中所遇故障為例，分析溫度、文件系統、芯片質量及存儲電路設計等幾種疑似故障原因并列出論證方法，通過改進NANDFLASH的設計電路，增加電容以保障存儲系統端口電壓從而達到穩定電路的目的，可以方便地擴充到同類系統的設計方案中。在實際工作環境中，實驗證明了方案的有效性。

關鍵詞： 嵌入式系統； NANDFLASH； U?boot； BootStrap； 抗干擾

中圖分類號： TN911?34； TP368.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0052?03

0 引 言

近年來隨著嵌入式技術的發展，在智能公交行業隨處可見嵌入式系統產品。常見的嵌入式Linux系統硬件是由微處理器、外圍存儲器、I/O系統以及外設組成，南京普天研發生產的CPVD?IV型智能調度設備采用AT91SAM9260為主控芯片，以三星公司生產的64 MB的K9F1208UOD作為NANDFLASH，以K4s561632J為SDRAM所組成的一套嵌入式系統方案。

公交車載設備由于工作環境復雜，受溫度、車況、電源和道路等條件影響故障幾率很高。針對在商業使用初期出現的問題以及造成的干擾，歷經各種方案分析和實驗驗證，從而確定故障的問題所在并進行集成電路的改進和完善。

1 嵌入式系統啟動過程分析

嵌入式設備開機后BootStrap引導加載NANDFLASH中U?boot程序，然后解壓Linux內核，啟動文件系統和應用程序，從而使終端進入工作狀態[1]。

1.1 Bootstrap啟動過程

AT91SAM9260具有片內和片外2種引導方式，由于本系統采用外部NANDFLASH引導，所以設置BMS=0；系統上電后，MCU會自動將NANDFLASH的前4 KB代碼（Bootstrap）拷貝到SRAM中運行[2]。Bootstrap首先進入main（）函數中執行hw_init（）初始化硬件：關閉看門狗器件，避免因為初始化硬件造成無法喂狗而頻繁重啟，然后配置相關的PLL頻率，使能I?Cache，配置相關的PIOS，使管腳輸出合適的電平啟動周圍外設，并進一步配置Matrix，算法流程圖1所示。

部分代碼如下：

/* Disable watchdog */

writel（AT91C_WDTC_WDDIS， AT91C_BASE_WDTC + WDTC_WDMR）；

/* Configure PLLA = MOSC * （PLL_MULA + 1） / PLL_DIVA */

pmc_cfg_plla（PLLA_SETTINGS， PLL_LOCK_TIMEOUT）；

/* Switch MCK on PLLA output PCK = PLLA = 2 * MCK */

pmc_cfg_mck（MCKR_SETTINGS， PLL_LOCK_TIMEOUT）；

/* Configure PLLB */

pmc_cfg_pllb（PLLB_SETTINGS， PLL_LOCK_TIMEOUT）；

圖1 Bootstrap啟動流程圖

初始化硬件后，調用load_NANDFLASH（IMG_ADDRESS， IMG_SIZE， JUMP_ADDR）函數從內存空間中調用U?boot映像到JUMP_ADDR地址中運行。函數參數定義如下：

#define IMG_ADDRESS 0x20000

/* Image Address in NANDFLASH */

#define IMG_SIZE 0x30000

/* Image Size in NANDFLASH */

#define MACH_TYPE 0x44B

/* AT91SAM9260?EK */

#define JUMP_ADDR 0x23F00000

/* Final Jump Address */

對于BootStrap的大小，根據AT91SAM9260芯片內存空間設置的大小，限制在4 KB大小，SRAM空間大小分配[3]如圖2所示。

圖2 AT91SAM9260內存分配圖

1.2 U?boot啟動過程分析

U?boot加載后，主要分成兩個階段來啟動：第一段進入Start.S用匯編語言實現MCU體系結構的設備初始化；第二階段進入start_armboot（） 用C語言來實現外圍所用到的硬件體系，并在do_bootm（）中執行do_bootm_Linux（）來調用Linux內核。

2 NANDFLASH系統設計方案

NANDFLASH作為智能調度設備的主體部分，存儲大部分數據信息和引導開機程序鏡像，能否正常工作非常重要。K9F1208為三星公司出產的64 MB的NANDFLASH，在商業領域和工業領域應用廣泛，為Atmel公司設計的標配方案選擇芯片。芯片管腳圖如圖3所示，主要數據線[4]是：

[RE]：連接MCU的NANDOE管腳，控制NANDFLASH讀使能；

[WE]：連接MCU的NANDWE管腳，控制NANDFLASH寫使能；

[RB]：NANDFLASH讀/忙控制管腳，連接MCU的PC13管腳，并通過10 KΩ上拉電阻接入3.3 V電壓。

圖3 NANDFLASH管腳圖

3 故障現象及理論分析

在產品應用初期，現場開機工作時候出現故障：LCD顯示屏出現“白屏”現象，無任何顯示信息，且串口無任何調試信息；而同一產品在實驗室啟動正常，能顯示諸如gprs，gps等圖標。此故障占設備總數的30%，嚴重地阻礙了產品的交付使用。從使用環境、芯片質量和電路設計等方面分析出現此類故障原因有以下幾種：

3.1 高溫導致系統工作不正常

由于公交車工作環境比較惡劣，顛簸比較厲害，而且夏季太陽高溫直曬，很容易造成設備故障。認為高溫是故障的原因之一，理由如下：

（1） 車載設備出現故障高發原因在6月以后，為夏季高溫時間，且設備很容易受太陽直射；

（2） 車載設備安裝位置靠近發動機位置，發動機工作致使車蓋位置溫度燙手；

（3） 由于防水的原因，設備外殼采用鋁制外殼，結實且密不透風，很容易將外面高溫導入設備內部；

（4） 經測試高溫時設備內部達到60 ℃左右，有可能造成MCU無法正常工作。

針對高溫問題，分別采取以下措施和方法驗證：

（1） 修改設備安裝位置，遠離發動機、水箱和光照強的地方，避免高溫傳導造成設備內問題提升；

（2） 進行高溫實驗，隨機抽取10～20臺設備連續高溫24 h以上驗證超高溫后能否正常工作。

經連續3個批次高溫驗證，實驗數據如表1所示。

表1 高溫老化測試數據

經實驗數據可以得出結論，過高溫可以出現部分延遲啟動但不是出現此類故障原因的主要問題，此原因排除。

3.2 YAFFS2文件系統存在BUG

YAFFS2文件系統具有可讀/寫、能夠識別并標識 NANDFLASH壞塊的功能，如果判別存儲器為壞的情況下工作不會正常。針對此類問題專門撰寫一個針對數據的循環打開讀/寫的程序來驗證設備，發現經過3 h以上的不斷循環讀/寫后，在串口終端會發出NANDFLASH出現大量“bad block…”等信息，并使系統無法正常啟動。由于啟動信息會出現，不是需要解決的故障原因。通過破壞性測試檢測出YAFFS2文件系統的脆弱性，此版本軟件無法長時間進行讀/寫，此后修改為可讀/寫的JFFS2文件系統[5]，避免了因為大量壞塊信息導致無法對NANDFLASH進行讀/寫的YAFFS2的BUG。

3.3 NANDFLASH質量不過關

針對此類問題，對出現故障設備采取更換NANDFLASH措施，實驗效果如舊，經同類比較此原因排除。

3.4 電路抗干擾能力不強

針對上述原因排除，將注意力轉到集成電路本身，由于電路屬于Atmel經典設計方案，經過全世界無數生產廠家使用驗證不存在設計方案錯誤問題，只能根據代碼走向流程來進行大膽假設，認為NANDFLASH根本工作。針對這種問題，輸入不同電源電壓，比較不同結果，數據如表2所示。

表2 嵌入式系統電源供給效果顯示

根據不同電壓數據可以得出，提升電源電壓后嵌入式系統穩定工作，與設備工作現場故障現象相似。根據公交公司反饋情況最后得出由于公交車蓄電池老化，導致電池供電不穩，為故障的主要原因。在于蓄電池從逐漸啟動到正常供電過程中，由于過程漫長而NANDFLASH由于已經處在故障狀態，導致嵌入式系統無法正常工作。

4 FLASH電路改進及測試結果分析

由上述理論研究和實驗結果可以證明，改變NANDFLASH供給電源成為主要的解決問題的關鍵。分析AT91SAM9260與NANDFLASH連接的管腳，當[RB]輸入的電平為高時可以從NANDFLASH讀數據，為低則存儲器處于忙狀態，系統無法讀取數據，處于錯誤狀態，此為問題所在。解決問題關鍵在于解決[RB]電平干擾，采取外接100 pF電容方案能夠解決電壓故障，并通過電容充電可以使系統啟動正常[6]，電路如圖4所示。

圖4 NANDFLASH保護電路圖

保護電路修改后，模擬現場電池環境供給，串口輸出：

Start AT91Bootstrap...

顯示已經MCU已經從NANDFLASH讀出數據并串口輸出，電路修改正常。

5 創新點

通過MCU的控制端口直接與NANDFLASH外圍管腳相連是通用標準電路，本方案通過修改NANDFLASH的外圍控制電路，增加[RB]管腳電壓控制保護，從而達到消除系統電源不穩定狀態下的干擾問題。

6 結 語

本文以智能車載產品為基礎，討論并解決在實際工作中嵌入式系統設備所出現的穩定性問題。為了進行更深入的研究和開發，還需要對嵌入式系統的底層驅動和功能進行開發，以便實現更多的功能。隨著信息技術的快速發展，嵌入式系統中存儲技術應用必將更穩定，并在智能交通領域得到廣泛應用。

參考文獻

[1] 孫紀坤，張小全.嵌入式Linux系統開發技術詳解：基于ARM[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[2] 程前，陳思泰.基于AT91SAM9260的嵌入式系統的Bootloader啟動流程[EB/OL].[2015?02?15].http：//www.docin.com.

[3] 劉淼.嵌入式系統接口設計與Linux驅動程序開發[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[4] Anon.ARM的啟動代碼（2）：AT91SAM9260啟動詳解 [EB/OL].[2011?08?23].http：//blog.csdn.net/coolbacon/article.

[5] 宋寶華.Linux設備驅動開發詳解[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[6] 安毅，蔡伯根.基于ARM的嵌入式大容量存儲設備的設計[J].微計算機信息，2008（17）：146?148.

[7] 楊忻愷，張為公，于兵，等.基于DSP的車載視頻監控存儲系統的設計[J].電子器件，2009（4）：805?808.