某型武器音视频记录模块掉电保护的设计

程耀 谢华 朱长发 刘泉晶 霍鹏举

摘要：本文通过结合武器系统发展的状况，针对关于某型武器音视频记录模块经常遇到异常关机或掉电现象，导致文件系统损坏的问题，通过分别以音视频记录模块软件架构和模块电源电路的硬件方面进行有效的设计与实现。提出了系统文件flash分区保护机制和串联超级电容延时掉电保护的硬件设计方案，保证了运行的安全可靠，增强了系统的稳定性，这将有利于提高部队训练水平，加快武器设备战斗力的形成。

关键词：武器系统;音视频记录模块;掉电保护;flash分区;超级电容

中图分类号：TP3   文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）18-0247-03

Abstract： In this paper，accoring to the development of weapon system，aiming at the problem of file system damage caused by abnormal shutdown of power failure of theaudio and video recording module of a certain weapon， the softare architecture of the audio and video recording module and the hardware of the module power supply circuit are designed and implemented conveniently. The system file flash zoning protection mechanism the hardware design scheme of series super capaitor delay power-off protection are proposed， which ensure the safety are reliability of the operation system and enhance the stability of the system. This will help to improve the training level of troops and accelerate the formation of combat effectiveness of weapons and equipment.

Key words： Weapons system; Audio and video recording module; Power failure protection; Flash partition; Supercapacitor

随着我国武器型号的不断发展丰富，武器装备数量的不断提高，但所培养的专业人员相对较少，并且部队普遍存在专业人员少，缺乏经验的实际困难，加之武器系统本身的局限型，使得在武器装备在研制过程[1]、战备训练及实弹射击过程中，出现问题时不能够快速有效，精确定位到故障原因，在很大程度上将影响试验的下一步的训练水平，不利于快速提高战斗力。

针对上述情况，研制一款高性能，高可靠性的应用于武器系统的音视频记录模块，就具有了重要的军事和经济意义了[2]。音视频记录模块可以输入两路标准VGA信号（通过主、副加固液晶显示器的VGA接口环出），输入一路标准音频信号;在进行记录时，音视频记录模块将主、副显VGA信号和音频转换为数字信息保存在音视频记录模块的固态硬盘中，应用于武器系统实时操作记录和后期数据分析。音视频记录模块结构示意图如图1所示。

由图1可知，通过音视频记录模块可获得武器控制台实时操作情况、武器系统显控界面上各设备运行工作情况，及武器控制台周围环境语音对话内容等工作的重要数据。故障排故人员可以利用这些音视频文件数据将武器操作手与武器舱室联系起来，将显控界面与设备工作情况关联起来，进而进行有效的鉴别和判断，提供分析研究的依据，以便对问题做出正确的结论。

因此武器系统的音视频记录模块的稳定性、可靠性对型号武器的发展就有了很重要的意义。而在武器系统的整个开发使用过程中，会经常遇到系统突然掉电的现象，在这时，音视频记录模块的有些重要数据或操作会来不及进行保护而导致数据丢失，甚至有时会出现模块系统文件损坏，导致系统崩溃。本文通过分别在音视频记录模块的软件架构和硬件电路的设计，来避免由于突然掉电带给模块的损害。

1 掉电保护软件架构的设计

音视频记录模块软件采用linux嵌入式系統，完成两路VGA视频采集、一路音频采集与压缩编码存储工作。

软件的整体架构是基于Linux核心系统上利用Linux优越的多核优化调度技术，实现优化的多线程/进程操作;利用Linux内置的V4L驱动程序，实现视频采集、编码、压缩、存储操作;利用ext4、FAT32、NTFS等文件系统支持，实现对SATA接口大容量存储设备的高效文件管理[3]。音视频记录模块的软件设计包含u-boot移植，Linux内核裁剪，Linux驱动移植，构建根文件系统以及音视频采集应用程序。音视频记录模块软件流程图如图2所示。

音视频记录模块系统启动过程中，需要从外部闪存Nand Flash读取文件系统，判断相关参数是否设置，如果没有，则写入默认参数数据，当突然强制关机或者异常断电时，相关的写入操作命令可能没有执行成功，就会出现数据缺失、数据写入出错的情况，破坏了数据的一致性，从而导致文件系统中的文件结构损坏。当系统重新开机时，就会有一定概率存在部分文件无法正常读取的现象，导致记录模块无法正常工作[4]。

正对上述情况，将Nand Flash分为三个区：

第一分区烧写Linux内核，负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序，引导加载文件和网络系统，Linux内核加载方式为只读，不进行写FLASH操作，异常断电不会影响[5];

第二分区单独烧写Ramdisk根文件系统，Ramdisk并非是一个实际的文件系统，而是一种将实际的文件系统装入内存的机制[6] 。将Linux系统启动所需要的网络驱动、音视频采集库文件、bonding driver及其他opt目录下的文件制作为根文件系统，采用Ramdisk方式进行加载，Ramdisk是基于内存的文件系统，具有断电不保存的特性，Linux启动时将Ramdisk根文件系统拷贝到内存上运行，即使有写操作，也是在内存中进行的，并不会影响到真实Nand Flash。假设启动时异常断电或者对文件系统做了什么破坏导致系统崩溃，只要重新上电即可恢复，并不影响Nand Flash真实存在的Ramdisk根文件系統，保证了Linux系统的正常启动。加载方式为读写，异常断电不会影响Ramdisk根文件系统，不进行写Flash操作;

第三分区烧写了包含音视频采集程序及网络和视频采集参数配置文件的文件系统，负责音视频采集录制及后期参数配置的功能实现。在Ramdisk加载完成后加载。第三分区中的app_main音视频采集程序只有在保存配置参数的情况下才进行写Flash操作，即使写Flash出错，也只是配置参数文件出错，并不会影响别的文件，也不会破会整个文件系统的完整性。加载方式为读写，异常断电文件系统损坏的概率极低[7]。

系统启动时，先启动Uboot程序，引导加载第一分区中的Linux内核文件。Linux内核文件启动后，引导加载第二分区的Ramdisk文件系统，完成Linux系统的正常启动。当Ramdisk文件系统加载完成后，开始加载第三分区中的包含音视频采集程序的文件系统，进行音视频采集录制。由于是在RAM中加载Ramdisk系统，所以不会改变真实Nand Flash中的Ramdisk根文件系统和包含音视频采集程序的文件系统，避免了异常掉电过程中由于对Nand Flash的写操作导致的文件系统损坏。

2 掉电保护电源电路的设计

在传统的掉电保护电路设计中通常采用增加一个备用电源（如纽扣电池等）来解决系统突然断电后，外接电池可以持续供电，完成正在进行的重要数据或操作的保护。但作为武器系统本身局限性，产品设备要满足“七性”要求，同时要进行各种环境试验测试（如高低温、湿热、振动、冲击试验等），因此本文中通过采用串联5个超级电容给模块延时供电，以此实现掉电保护电路的设计[8]。

音视频记录模块的供电电源为直流12，因此采用5个2.7V /100F的超级电容串联给底板进行延时供电，通过稳压电路将实际电容容量等效为12V /20F，充电时，为了保证电流过大，增加限流电路进行保护[9] 。为了保证每个超级电容工作的稳定性，通过均匀电路，保证每个超级电容充电稳定后电压小于2.7V额定电压，并单独制作一个超级电容供电电路板固定在外壳上，给底板12V进行供电，在底板的CPU管脚接入掉电反馈信号。

根据电容电压和容量（12V 20F），音视频记录模块的工作电流以及负载电阻的大小，利用电容放电公式[10]，预计电容在12V电压下的放电时间为25-30秒，有足够的时间停止写操作和正常关机操作，减少了因异常掉电导致文件系统损坏的情况 。带有掉电保护的音视频记录模块电源电路原理图如图3所示。

超级电容的选型为锦州凯美能源公司生产的高温85℃系列超级电容，型号为HT-2R7-J107UY，在常温25℃循环寿命，由VR到1/2VR循环100万次，容量衰减≤30%，内阻变化≤4倍。

3 总结

武器系统的音视频记录技术的研究是一个实用性非常广的研究课题，具有非常高的军事研究和应用价值。本文通过在软件架构上对外部闪存Nand Flash进行分区保护设计，对模块的电源模块进行串联超级电容延时放电的设计，很大程度上减少了模块在异常掉电情况下出现的文件系统受损的故障现象。模块经综合测试和长时间的应力测试，工作性能良好，稳定性、可靠性增强。

参考文献：

[1] 薄玉成.武器系统设计[M].北京：北京理工大学出版社，2010.

[2] 徐小林，桂先州. 武器系统的数据记录技术研究[J].中国科技信 息，2007，（12），294-297.

[3] 于海生.微型计算机控制技术[M].北京：清华大学出版社.1999.

[4] 李鑫旺，张丕状.基于非易失存储器的数据存储于管理方法[J].探测与控制学报.2010，32（1）.

[5] 刘东海，任勇峰，储成君.基于FPGA控制的NAND Flash存储设计[J].科学技术与工程.2013，13（34）.

[6] 万鸿基.基于 M25P32 SPI Flash 的 TFFS 设计与实现[J].电子元器件应用.2010，（04）.

[7] 扶小飞，郑善贤. 一种 Flash 文件系统的设计和实现[J]. 微计算机信息.2010，（04）.

[8] 王久文.低电压超大容量电容器的发展综述[J].世界电子元器件，1997，（8）：24-25.

[9] 陈粤初、窦振中.单片机应用系统设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社， 1993.

[10] 陈卫兵， 束慧.单片机系统中的掉电检测和数据保护[J].仪表技术，2003，（2）：26-27.

【通联编辑：梁书】