詹福宇*，徐 亮，陳 林

（中電科特種飛機(jī)系統(tǒng)工程有限公司，四川 成都）

大多數(shù)軟件都會(huì)涉及到參數(shù)的存儲(chǔ)與讀取，小至運(yùn)行單片機(jī)的軟件，大至操作系統(tǒng)級(jí)別的軟件，均會(huì)有專門的子程序或者模塊進(jìn)行參數(shù)的讀寫和存儲(chǔ)。不同開發(fā)平臺(tái)下，參數(shù)管理會(huì)存在一定的差異化，例如Windows 和Linux 下的軟件則會(huì)以ini、xml 或json 等配置文件的形式保存參數(shù)；而單片機(jī)等嵌入式環(huán)境下，由于資源的限制無(wú)法使用這些功能接口，需要另外設(shè)計(jì)，一般將參數(shù)是保存EEPROM或ROM等。

文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中介紹了嵌入式平臺(tái)中參數(shù)存儲(chǔ)介質(zhì)、數(shù)據(jù)類型設(shè)計(jì)、讀寫接口設(shè)計(jì)等。文獻(xiàn)[3]發(fā)明了一種應(yīng)用于呼吸機(jī)的嵌入式設(shè)備的參數(shù)管理方法、嵌入式設(shè)備的參數(shù)管理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)以及嵌入式設(shè)備，但是該專利中沒有涉及上位機(jī)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、多線程通信等功能，另外飛控系統(tǒng)相對(duì)呼吸機(jī)更加復(fù)雜。

飛控系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜、高效、可靠的嵌入式系統(tǒng)[4]，針對(duì)飛行參數(shù)記錄儀的研究工作[5-6]很多，但是涉及飛控系統(tǒng)參數(shù)管理的資料相對(duì)很少。本研究提出一種飛控系統(tǒng)參數(shù)管理的完整解決方案，包括參數(shù)的定義、獲取、更新、保存，跨線程支持以及上位機(jī)通信協(xié)議等。

1 飛控參數(shù)管理模塊要求

（1）高效性，參數(shù)修改必須及時(shí)通知并更新所用應(yīng)用該參數(shù)的模塊。

（2）可靠性，飛控參數(shù)會(huì)直接影響飛行安全，因此參數(shù)更新過(guò)程必須可靠，尤其是在多線程訪問的情況下。

（3）模塊化，每個(gè)模塊具備獨(dú)立定義自己參數(shù)，不影響其他模塊，參數(shù)可以在所有C 文件定義。

（4）擴(kuò)展性，產(chǎn)品升級(jí)，若涉及增加、刪除、修改參數(shù)，應(yīng)不影響其它參數(shù)，不影響上位機(jī)通信協(xié)議。

2 飛控參數(shù)管理模塊設(shè)計(jì)

2.1 飛控參數(shù)管理框架

飛控參數(shù)管理系統(tǒng)框架（見圖1），主要包含三層：

圖1 飛控參數(shù)管理框架

（1）存儲(chǔ)介質(zhì)，可以是EPPEOM、FLASH、FILE等永久存儲(chǔ)介質(zhì)。

（2）參數(shù)管理配置模塊，提供了一套API 接口用于管理飛控參數(shù)。

（3）上位機(jī)通信模塊，可以通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行參數(shù)查詢和修改等。

本研究方案中每一個(gè)飛控參數(shù)都可能存在多份拷貝：

（1）參數(shù)管理模塊維護(hù)一份包含所有參數(shù)的元數(shù)據(jù)和當(dāng)前值的表__param_table。

（2）每個(gè)模塊獨(dú)立保存所使用參數(shù)的副本，運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)PARAM_UPDATE 事件則將副本同步為__param_table 中的值。

2.2 飛控參數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

參數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由param_info_t 和param_data_t 兩個(gè)結(jié)構(gòu)體定義：

（1）param_info_t，結(jié)構(gòu)體，包括分組名、變量名（全局唯一）、默認(rèn)值、類型、標(biāo)志位（修改需要重啟、解鎖后禁止修改、是否系統(tǒng)預(yù)留等）和真實(shí)值地址。

（2）param_data_t，結(jié)構(gòu)體，包括參數(shù)當(dāng)前使用值、狀態(tài)位（表征參數(shù)是否修改，是否保存，是否啟用等）等。

2.3 飛控參數(shù)變量定義

參數(shù)變量定義包括param_info_t 和param_data_t兩部分，前者用于存儲(chǔ)參數(shù)元數(shù)據(jù)，后者用于存儲(chǔ)參數(shù)使用值。為了便于用戶使用，一般通過(guò)PARAM_DEFINE_FLOAT/INT32 等一系列宏來(lái)簡(jiǎn)化參數(shù)定義，比如：

其中PARAM_EXPORT 宏將param_info_t 變量定義到lds 文件指定的ParamTab section 區(qū)域，這樣參數(shù)可以定義在任意*.c 文件，但均可統(tǒng)一通過(guò)section 地址來(lái)索引和查找，便于軟件模塊化開發(fā)。

通過(guò)以下方式獲取參數(shù)表格的首地址和數(shù)量，其中__param_section_start 和__param_section_end 是lds文件中ParamTab 區(qū)域的首尾地址：

2.4 飛控參數(shù)讀寫流程

飛控參數(shù)通過(guò)唯一變量名進(jìn)行索引, 一個(gè)典型的參數(shù)讀寫流程見圖 2。param_find 函數(shù)從__param_table 中搜索第一個(gè)與name 相匹配的參數(shù)，返回其句柄，并將該參數(shù)的狀態(tài)設(shè)置為“已使用”；param_get函 數(shù) 將 參 數(shù) 當(dāng) 前 值param_info_ptr->data->value 拷貝到本地，用于飛控計(jì)算。運(yùn)行過(guò)程如果檢測(cè)到PARAM_UPDATE 事件，則重新拷貝。

圖2 飛控參數(shù)典型讀寫流程

param_set 函數(shù)用于修改參數(shù)的當(dāng)前值，同時(shí)將該參數(shù)的狀態(tài)設(shè)置為“已修改”和“未保存”，并廣播一個(gè)PARAM_UPDATE 事件，其它模塊收到該事件，會(huì)將最新的參數(shù)值拷貝到本地。

2.5 飛控參數(shù)存儲(chǔ)機(jī)制

如圖3 所示，飛控啟動(dòng)時(shí)，調(diào)用param_load 函數(shù)從默認(rèn)存儲(chǔ)介質(zhì)中讀取param_save_head_t 和param_save_data_t 數(shù)據(jù)并校驗(yàn)：如果校驗(yàn)失敗，則調(diào)用param_save 函數(shù)將“已修改”參數(shù)來(lái)初始化存儲(chǔ)介質(zhì)；如果校驗(yàn)成功，則在for 循環(huán)中調(diào)用param_find 和param_set 函數(shù)將參數(shù)修改為存儲(chǔ)值，并廣播PARAM_UPDATE 事件，通知其它模塊參數(shù)已經(jīng)更新了。

圖3 飛控參數(shù)存儲(chǔ)控制流程

運(yùn)行過(guò)程中，PARAM_AUTO_SAVE 后臺(tái)線程，如果檢測(cè)PARAM_UPDATE 事件(一般調(diào)用param_set 函數(shù)時(shí)觸發(fā))，則將所有標(biāo)記為“已修改”的參數(shù)保存到存儲(chǔ)介質(zhì)中，同時(shí)將參數(shù)狀態(tài)設(shè)置為“已保存”，但不會(huì)重置“已修改”狀態(tài)，保存到存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)為：

（1）param_save_head_t，存儲(chǔ)頭部信息，包含時(shí)間戳、參數(shù)個(gè)數(shù)，以及參數(shù)HASH 校驗(yàn)。

（2）param_save_data_t，存儲(chǔ)參數(shù)內(nèi)容，包含變量名和變量值，變量名作為參數(shù)的唯一索引，即使飛控軟件升級(jí)了，參數(shù)列表發(fā)生了變化，仍可以通過(guò)變量名與升級(jí)后的參數(shù)列表建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，不會(huì)因?yàn)槌绦蛏?jí)導(dǎo)致已存參數(shù)失效或丟失。

2.6 與上位機(jī)通信接口

上位機(jī)對(duì)飛控參數(shù)的操作主要是獲取所有參數(shù)（見圖4）、讀取某個(gè)參數(shù)（見圖5）、修改某個(gè)參數(shù)（見圖6）。需要說(shuō)明的是，通過(guò)改變PARAM_LIST 的屬性值，可以下載特定屬性的參數(shù)，比如只下載被修改的參數(shù)，或者只下載EKF 分組的參數(shù)，另外上位機(jī)在接收參數(shù)過(guò)程中，會(huì)進(jìn)行超時(shí)和序號(hào)連續(xù)性判斷。

圖4 上位機(jī)獲取所有參數(shù)流程

圖5 上位機(jī)讀取某個(gè)參數(shù)流程

圖6 上位機(jī)修改某個(gè)參數(shù)流程

為了防止批量下載參數(shù)時(shí)阻塞通信鏈路，飛控每個(gè)發(fā)送周期（20 ms）只發(fā)送3 個(gè)參數(shù)，也就是每秒發(fā)送150 個(gè)參數(shù)，占用帶寬約43.36 kbps，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)鏈都能滿足這個(gè)傳輸要求，比如Microhard P900 數(shù)傳擁有57.6 kbps～276 kbps 無(wú)線速率。

3 嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)

某飛控系統(tǒng)基于RT-Thread V4.1.x[7]嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；編譯工具鏈為GNU Arm Embedded Toolchain 10.3-2021.10[8]；處理器為STM32H753II，CPU 主頻480 MHz，擁有2 Mb Flash 和1 Mb RAM，飛控內(nèi)部運(yùn)行了各種傳感器驅(qū)動(dòng)、姿態(tài)位置估計(jì)、航線管理、位置控制、姿態(tài)控制等30 多個(gè)模塊，一共有649 個(gè)參數(shù)，其中整數(shù)132 個(gè)，浮點(diǎn)數(shù)517 個(gè)。

通過(guò)軟件在環(huán)測(cè)試、硬件在環(huán)測(cè)試，以及真機(jī)飛行測(cè)試等，通過(guò)累積1 660 多個(gè)小時(shí)試驗(yàn)，參數(shù)管理模塊工作正常，能夠正確的讀取、修改、存儲(chǔ)飛控參數(shù)，上位機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行管理，修改后的參數(shù)能夠及時(shí)同步使用模塊，試驗(yàn)過(guò)程沒有出現(xiàn)參數(shù)管理故障。

4 結(jié)論

本研究提出了一套完整的飛控系統(tǒng)參數(shù)管理解決方案，涵蓋了飛控參數(shù)的讀取、修改、存儲(chǔ)以及與上位機(jī)通信等，支持多線程、支持模塊化，并成功應(yīng)用到某飛控系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明該方案完整、高效、可靠，并具備良好的擴(kuò)展性，滿足飛控系統(tǒng)嵌入式軟件要求。