一種飛控系統參數管理的嵌入式解決方案

詹福宇*，徐 亮，陳 林

（中電科特種飛機系統工程有限公司，四川 成都）

大多數軟件都會涉及到參數的存儲與讀取，小至運行單片機的軟件，大至操作系統級別的軟件，均會有專門的子程序或者模塊進行參數的讀寫和存儲。不同開發平臺下，參數管理會存在一定的差異化，例如Windows 和Linux 下的軟件則會以ini、xml 或json 等配置文件的形式保存參數；而單片機等嵌入式環境下，由于資源的限制無法使用這些功能接口，需要另外設計，一般將參數是保存EEPROM或ROM等。

文獻[1]和文獻[2]中介紹了嵌入式平臺中參數存儲介質、數據類型設計、讀寫接口設計等。文獻[3]發明了一種應用于呼吸機的嵌入式設備的參數管理方法、嵌入式設備的參數管理系統、計算機可讀存儲介質以及嵌入式設備，但是該專利中沒有涉及上位機通信、數據存儲結構、多線程通信等功能，另外飛控系統相對呼吸機更加復雜。

飛控系統是一個復雜、高效、可靠的嵌入式系統[4]，針對飛行參數記錄儀的研究工作[5-6]很多，但是涉及飛控系統參數管理的資料相對很少。本研究提出一種飛控系統參數管理的完整解決方案，包括參數的定義、獲取、更新、保存，跨線程支持以及上位機通信協議等。

1 飛控參數管理模塊要求

（1）高效性，參數修改必須及時通知并更新所用應用該參數的模塊。

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

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

（4）擴展性，產品升級，若涉及增加、刪除、修改參數，應不影響其它參數，不影響上位機通信協議。

2 飛控參數管理模塊設計

2.1 飛控參數管理框架

飛控參數管理系統框架（見圖1），主要包含三層：

圖1 飛控參數管理框架

（1）存儲介質，可以是EPPEOM、FLASH、FILE等永久存儲介質。

（2）參數管理配置模塊，提供了一套API 接口用于管理飛控參數。

（3）上位機通信模塊，可以通過上位機進行參數查詢和修改等。

本研究方案中每一個飛控參數都可能存在多份拷貝：

（1）參數管理模塊維護一份包含所有參數的元數據和當前值的表__param_table。

（2）每個模塊獨立保存所使用參數的副本，運行過程中檢測PARAM_UPDATE 事件則將副本同步為__param_table 中的值。

2.2 飛控參數結構設計

參數結構設計由param_info_t 和param_data_t 兩個結構體定義：

（1）param_info_t，結構體，包括分組名、變量名（全局唯一）、默認值、類型、標志位（修改需要重啟、解鎖后禁止修改、是否系統預留等）和真實值地址。

（2）param_data_t，結構體，包括參數當前使用值、狀態位（表征參數是否修改，是否保存，是否啟用等）等。

2.3 飛控參數變量定義

參數變量定義包括param_info_t 和param_data_t兩部分，前者用于存儲參數元數據，后者用于存儲參數使用值。為了便于用戶使用，一般通過PARAM_DEFINE_FLOAT/INT32 等一系列宏來簡化參數定義，比如：

其中PARAM_EXPORT 宏將param_info_t 變量定義到lds 文件指定的ParamTab section 區域，這樣參數可以定義在任意*.c 文件，但均可統一通過section 地址來索引和查找，便于軟件模塊化開發。

通過以下方式獲取參數表格的首地址和數量，其中__param_section_start 和__param_section_end 是lds文件中ParamTab 區域的首尾地址：

2.4 飛控參數讀寫流程

飛控參數通過唯一變量名進行索引, 一個典型的參數讀寫流程見圖 2。param_find 函數從__param_table 中搜索第一個與name 相匹配的參數，返回其句柄，并將該參數的狀態設置為“已使用”；param_get函 數 將 參 數 當 前 值param_info_ptr->data->value 拷貝到本地，用于飛控計算。運行過程如果檢測到PARAM_UPDATE 事件，則重新拷貝。

圖2 飛控參數典型讀寫流程

param_set 函數用于修改參數的當前值，同時將該參數的狀態設置為“已修改”和“未保存”，并廣播一個PARAM_UPDATE 事件，其它模塊收到該事件，會將最新的參數值拷貝到本地。

2.5 飛控參數存儲機制

如圖3 所示，飛控啟動時，調用param_load 函數從默認存儲介質中讀取param_save_head_t 和param_save_data_t 數據并校驗：如果校驗失敗，則調用param_save 函數將“已修改”參數來初始化存儲介質；如果校驗成功，則在for 循環中調用param_find 和param_set 函數將參數修改為存儲值，并廣播PARAM_UPDATE 事件，通知其它模塊參數已經更新了。

圖3 飛控參數存儲控制流程

運行過程中，PARAM_AUTO_SAVE 后臺線程，如果檢測PARAM_UPDATE 事件(一般調用param_set 函數時觸發)，則將所有標記為“已修改”的參數保存到存儲介質中，同時將參數狀態設置為“已保存”，但不會重置“已修改”狀態，保存到存儲的結構體數據為：

（1）param_save_head_t，存儲頭部信息，包含時間戳、參數個數，以及參數HASH 校驗。

（2）param_save_data_t，存儲參數內容，包含變量名和變量值，變量名作為參數的唯一索引，即使飛控軟件升級了，參數列表發生了變化，仍可以通過變量名與升級后的參數列表建立一一對應關系，不會因為程序升級導致已存參數失效或丟失。

2.6 與上位機通信接口

上位機對飛控參數的操作主要是獲取所有參數（見圖4）、讀取某個參數（見圖5）、修改某個參數（見圖6）。需要說明的是，通過改變PARAM_LIST 的屬性值，可以下載特定屬性的參數，比如只下載被修改的參數，或者只下載EKF 分組的參數，另外上位機在接收參數過程中，會進行超時和序號連續性判斷。

圖4 上位機獲取所有參數流程

圖5 上位機讀取某個參數流程

圖6 上位機修改某個參數流程

為了防止批量下載參數時阻塞通信鏈路，飛控每個發送周期（20 ms）只發送3 個參數，也就是每秒發送150 個參數，占用帶寬約43.36 kbps，絕大部分數據鏈都能滿足這個傳輸要求，比如Microhard P900 數傳擁有57.6 kbps～276 kbps 無線速率。

3 嵌入式軟件實現

某飛控系統基于RT-Thread V4.1.x[7]嵌入式實時操作系統；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，飛控內部運行了各種傳感器驅動、姿態位置估計、航線管理、位置控制、姿態控制等30 多個模塊，一共有649 個參數，其中整數132 個，浮點數517 個。

通過軟件在環測試、硬件在環測試，以及真機飛行測試等，通過累積1 660 多個小時試驗，參數管理模塊工作正常，能夠正確的讀取、修改、存儲飛控參數，上位機實時對參數進行管理，修改后的參數能夠及時同步使用模塊，試驗過程沒有出現參數管理故障。

4 結論

本研究提出了一套完整的飛控系統參數管理解決方案，涵蓋了飛控參數的讀取、修改、存儲以及與上位機通信等，支持多線程、支持模塊化，并成功應用到某飛控系統。試驗結果表明該方案完整、高效、可靠，并具備良好的擴展性，滿足飛控系統嵌入式軟件要求。