一种飞控系统参数管理的嵌入式解决方案
时间：2023-04-22 18:30:05 来源：千叶帆 本文已影响人
詹福宇*，徐 亮，陈 林
（中电科特种飞机系统工程有限公司，四川 成都）
大多数软件都会涉及到参数的存储与读取，小至运行单片机的软件，大至操作系统级别的软件，均会有专门的子程序或者模块进行参数的读写和存储。不同开发平台下，参数管理会存在一定的差异化，例如Windows 和Linux 下的软件则会以ini、xml 或json 等配置文件的形式保存参数；
而单片机等嵌入式环境下，由于资源的限制无法使用这些功能接口，需要另外设计，一般将参数是保存EEPROM或ROM等。
文献[1]和文献[2]中介绍了嵌入式平台中参数存储介质、数据类型设计、读写接口设计等。文献[3]发明了一种应用于呼吸机的嵌入式设备的参数管理方法、嵌入式设备的参数管理系统、计算机可读存储介质以及嵌入式设备，但是该专利中没有涉及上位机通信、数据存储结构、多线程通信等功能，另外飞控系统相对呼吸机更加复杂。
飞控系统是一个复杂、高效、可靠的嵌入式系统[4]，针对飞行参数记录仪的研究工作[5-6]很多，但是涉及飞控系统参数管理的资料相对很少。本研究提出一种飞控系统参数管理的完整解决方案，包括参数的定义、获取、更新、保存，跨线程支持以及上位机通信协议等。
（1）高效性，参数修改必须及时通知并更新所用应用该参数的模块。
（2）可靠性，飞控参数会直接影响飞行安全，因此参数更新过程必须可靠，尤其是在多线程访问的情况下。
（3）模块化，每个模块具备独立定义自己参数，不影响其他模块，参数可以在所有C 文件定义。
（4）扩展性，产品升级，若涉及增加、删除、修改参数，应不影响其它参数，不影响上位机通信协议。
2.1 飞控参数管理框架
飞控参数管理系统框架（见图1），主要包含三层：
图1 飞控参数管理框架
（1）存储介质，可以是EPPEOM、FLASH、FILE等永久存储介质。
（2）参数管理配置模块，提供了一套API 接口用于管理飞控参数。
（3）上位机通信模块，可以通过上位机进行参数查询和修改等。
本研究方案中每一个飞控参数都可能存在多份拷贝：
（1）参数管理模块维护一份包含所有参数的元数据和当前值的表__param_table。
（2）每个模块独立保存所使用参数的副本，运行过程中检测PARAM_UPDATE 事件则将副本同步为__param_table 中的值。
2.2 飞控参数结构设计
参数结构设计由param_info_t 和param_data_t 两个结构体定义：
（1）param_info_t，结构体，包括分组名、变量名（全局唯一）、默认值、类型、标志位（修改需要重启、解锁后禁止修改、是否系统预留等）和真实值地址。
（2）param_data_t，结构体，包括参数当前使用值、状态位（表征参数是否修改，是否保存，是否启用等）等。
2.3 飞控参数变量定义
参数变量定义包括param_info_t 和param_data_t两部分，前者用于存储参数元数据，后者用于存储参数使用值。为了便于用户使用，一般通过PARAM_DEFINE_FLOAT/INT32 等一系列宏来简化参数定义，比如：
其中PARAM_EXPORT 宏将param_info_t 变量定义到lds 文件指定的ParamTab section 区域，这样参数可以定义在任意*.c 文件，但均可统一通过section 地址来索引和查找，便于软件模块化开发。
通过以下方式获取参数表格的首地址和数量，其中__param_section_start 和__param_section_end 是lds文件中ParamTab 区域的首尾地址：
2.4 飞控参数读写流程
飞控参数通过唯一变量名进行索引, 一个典型的参数读写流程见图 2。param_find 函数从__param_table 中搜索第一个与name 相匹配的参数，返回其句柄，并将该参数的状态设置为“已使用”；
param_get函 数 将 参 数 当 前 值param_info_ptr->data->value 拷贝到本地，用于飞控计算。运行过程如果检测到PARAM_UPDATE 事件，则重新拷贝。
图2 飞控参数典型读写流程
param_set 函数用于修改参数的当前值，同时将该参数的状态设置为“已修改”和“未保存”，并广播一个PARAM_UPDATE 事件，其它模块收到该事件，会将最新的参数值拷贝到本地。
2.5 飞控参数存储机制
如图3 所示，飞控启动时，调用param_load 函数从默认存储介质中读取param_save_head_t 和param_save_data_t 数据并校验：如果校验失败，则调用param_save 函数将“已修改”参数来初始化存储介质；
如果校验成功，则在for 循环中调用param_find 和param_set 函数将参数修改为存储值，并广播PARAM_UPDATE 事件，通知其它模块参数已经更新了。
图3 飞控参数存储控制流程
运行过程中，PARAM_AUTO_SAVE 后台线程，如果检测PARAM_UPDATE 事件(一般调用param_set 函数时触发)，则将所有标记为“已修改”的参数保存到存储介质中，同时将参数状态设置为“已保存”，但不会重置“已修改”状态，保存到存储的结构体数据为：
（1）param_save_head_t，存储头部信息，包含时间戳、参数个数，以及参数HASH 校验。
（2）param_save_data_t，存储参数内容，包含变量名和变量值，变量名作为参数的唯一索引，即使飞控软件升级了，参数列表发生了变化，仍可以通过变量名与升级后的参数列表建立一一对应关系，不会因为程序升级导致已存参数失效或丢失。
2.6 与上位机通信接口
上位机对飞控参数的操作主要是获取所有参数（见图4）、读取某个参数（见图5）、修改某个参数（见图6）。需要说明的是，通过改变PARAM_LIST 的属性值，可以下载特定属性的参数，比如只下载被修改的参数，或者只下载EKF 分组的参数，另外上位机在接收参数过程中，会进行超时和序号连续性判断。
图4 上位机获取所有参数流程
图5 上位机读取某个参数流程
图6 上位机修改某个参数流程
为了防止批量下载参数时阻塞通信链路，飞控每个发送周期（20 ms）只发送3 个参数，也就是每秒发送150 个参数，占用带宽约43.36 kbps，绝大部分数据链都能满足这个传输要求，比如Microhard P900 数传拥有57.6 kbps～276 kbps 无线速率。
某飞控系统基于RT-Thread V4.1.x[7]嵌入式实时操作系统；
编译工具链为GNU Arm Embedded Toolchain 10.3-2021.10[8]；
处理器为STM32H753II，CPU 主频480 MHz，拥有2 Mb Flash 和1 Mb RAM，飞控内部运行了各种传感器驱动、姿态位置估计、航线管理、位置控制、姿态控制等30 多个模块，一共有649 个参数，其中整数132 个，浮点数517 个。
通过软件在环测试、硬件在环测试，以及真机飞行测试等，通过累积1 660 多个小时试验，参数管理模块工作正常，能够正确的读取、修改、存储飞控参数，上位机实时对参数进行管理，修改后的参数能够及时同步使用模块，试验过程没有出现参数管理故障。
本研究提出了一套完整的飞控系统参数管理解决方案，涵盖了飞控参数的读取、修改、存储以及与上位机通信等，支持多线程、支持模块化，并成功应用到某飞控系统。试验结果表明该方案完整、高效、可靠，并具备良好的扩展性，满足飞控系统嵌入式软件要求。
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