魏峰1，田锦2
（1.连云港职业技术学院信息工程学院，江苏连云港222006；2.金陵科技学院网络与通信学院，江苏南京211169）
摘要：在此论述了嵌入式车载终端的存储系统抗干扰设计方法。以车载终端在现实工作环境中所遇故障为例，分析温度、文件系统、芯片质量及存储电路设计等几种疑似故障原因并列出论证方法，通过改进NANDflash的设计电路，增加电容以保障存储系统端口电压从而达到稳定电路的目的，可以方便地扩充到同类系统的设计方案中。在实际工作环境中，实验证明了方案的有效性。
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关键词 ：嵌入式系统；NANDFLASH；U?boot；BootStrap；抗干扰
中图分类号：TN911?34；TP368.2 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）14?0052?03
收稿日期：2015?01?06
基金项目：金陵科技学院科研基金（jit?b?201012）；南京市科技计划（2012ZD003）；连云港职业技术学院科研基金（YKJ201301）
0 引言
近年来随着嵌入式技术的发展，在智能公交行业随处可见嵌入式系统产品。常见的嵌入式Linux系统硬件是由微处理器、外围存储器、I/O系统以及外设组成，南京普天研发生产的CPVD?IV 型智能调度设备采用AT91SAM9260 为主控芯片，以三星公司生产的64 MB的K9F1208UOD 作为NANDFLASH，以K4s561632J 为SDRAM所组成的一套嵌入式系统方案。
公交车载设备由于工作环境复杂，受温度、车况、电源和道路等条件影响故障几率很高。针对在商业使用初期出现的问题以及造成的干扰，历经各种方案分析和实验验证，从而确定故障的问题所在并进行集成电路的改进和完善。
1 嵌入式系统启动过程分析
嵌入式设备开机后BootStrap 引导加载NAND?FLASH 中U?boot 程序，然后解压Linux 内核，启动文件系统和应用程序，从而使终端进入工作状态[1]。
1.1 Bootstrap启动过程
AT91SAM9260具有片内和片外2种引导方式，由于本系统采用外部NANDFLASH 引导，所以设置BMS=0；系统上电后，MCU 会自动将NANDFLASH 的前4 KB 代码（Bootstrap）拷贝到SRAM 中运行[2]。Bootstrap 首先进入main（）函数中执行hw_init（）初始化硬件：关闭看门狗器件，避免因为初始化硬件造成无法喂狗而频繁重启，然后配置相关的PLL 频率，使能I?Cache，配置相关的PIOS，使管脚输出合适的电平启动周围外设，并进一步配置Matrix，算法流程图1所示。
1.2 U?boot启动过程分析
U?boot加载后，主要分成两个阶段来启动：第一段进入Start.S用汇编语言实现MCU体系结构的设备初始化；第二阶段进入start_armboot（）用C语言来实现外围所用到的硬件体系，并在do_bootm（）中执行do_bootm_Linux（）来调用Linux内核。
2 NANDFLASH 系统设计方案
NANDFLASH作为智能调度设备的主体部分，存储大部分数据信息和引导开机程序镜像，能否正常工作非常重要。K9F1208 为三星公司出产的64 MB 的NAND?FLASH，在商业领域和工业领域应用广泛，为Atmel 公司设计的标配方案选择芯片。芯片管脚图如图3所示，主要数据线[4]是：
3 故障现象及理论分析
在产品应用初期，现场开机工作时候出现故障：LCD显示屏出现“白屏”现象，无任何显示信息，且串口无任何调试信息；而同一产品在实验室启动正常，能显示诸如gprs，gps等图标。此故障占设备总数的30%，严重地阻碍了产品的交付使用。从使用环境、芯片质量和电路设计等方面分析出现此类故障原因有以下几种：
3.1 高温导致系统工作不正常
由于公交车工作环境比较恶劣，颠簸比较厉害，而且夏季太阳高温直晒，很容易造成设备故障。认为高温是故障的原因之一，理由如下：
（1）车载设备出现故障高发原因在6月以后，为夏季高温时间，且设备很容易受太阳直射；
（2）车载设备安装位置靠近发动机位置，发动机工作致使车盖位置温度烫手；
（3）由于防水的原因，设备外壳采用铝制外壳，结实且密不透风，很容易将外面高温导入设备内部；
（4）经测试高温时设备内部达到60 ℃左右，有可能造成MCU无法正常工作。
针对高温问题，分别采取以下措施和方法验证：
（1）修改设备安装位置，远离发动机、水箱和光照强的地方，避免高温传导造成设备内问题提升；
（2）进行高温实验，随机抽取10~20台设备连续高温24 h以上验证超高温后能否正常工作。
经连续3个批次高温验证，实验数据如表1所示。
经实验数据可以得出结论，过高温可以出现部分延迟启动但不是出现此类故障原因的主要问题，此原因排除。
3.2 YAFFS2文件系统存在BUG
YAFFS2 文件系统具有可读/写、能够识别并标识NANDFLASH坏块的功能，如果判别存储器为坏的情况下工作不会正常。针对此类问题专门撰写一个针对数据的循环打开读/写的程序来验证设备，发现经过3 h以上的不断循环读/写后，在串口终端会发出NAND?FLASH 出现大量“bad block…”等信息，并使系统无法正常启动。由于启动信息会出现，不是需要解决的故障原因。通过破坏性测试检测出YAFFS2 文件系统的脆弱性，此版本软件无法长时间进行读/写，此后修改为可读/写的JFFS2文件系统[5]，避免了因为大量坏块信息导致无法对NANDFLASH进行读/写的YAFFS2的BUG。
3.3 NANDFLASH质量不过关
针对此类问题，对出现故障设备采取更换NAND?FLASH措施，实验效果如旧，经同类比较此原因排除。3.4 电路抗干扰能力不强
针对上述原因排除，将注意力转到集成电路本身，由于电路属于Atmel经典设计方案，经过全世界无数生产厂家使用验证不存在设计方案错误问题，只能根据代码走向流程来进行大胆假设，认为NANDFLASH根本工作。针对这种问题，输入不同电源电压，比较不同结果，数据如表2所示。
根据不同电压数据可以得出，提升电源电压后嵌入式系统稳定工作，与设备工作现场故障现象相似。根据公交公司反馈情况最后得出由于公交车蓄电池老化，导致电池供电不稳，为故障的主要原因。在于蓄电池从逐渐启动到正常供电过程中，由于过程漫长而NAND?FLASH由于已经处在故障状态，导致嵌入式系统无法正常工作。
4 FLASH 电路改进及测试结果分析
由上述理论研究和实验结果可以证明，改变NANDFLASH 供给电源成为主要的解决问题的关键。
分析AT91SAM9260 与NANDFLASH 连接的管脚，当R Bˉ 输入的电平为高时可以从NANDFLASH 读数据，为低则存储器处于忙状态，系统无法读取数据，处于错误状态，此为问题所在。解决问题关键在于解决R Bˉ电平干扰，采取外接100 pF 电容方案能够解决电压故障，并通过电容充电可以使系统启动正常[6]，电路如图4所示。
保护电路修改后，模拟现场电池环境供给，串口输出：
Start AT91Bootstrap...
显示已经MCU已经从NANDFLASH读出数据并串口输出，电路修改正常。
5 创新点
通过MCU的控制端口直接与NANDFLASH外围管脚相连是通用标准电路，本方案通过修改NANDFLASH的外围控制电路，增加R/Bˉ 管脚电压控制保护，从而达到消除系统电源不稳定状态下的干扰问题。
6 结语
本文以智能车载产品为基础，讨论并解决在实际工作中嵌入式系统设备所出现的稳定性问题。为了进行更深入的研究和开发，还需要对嵌入式系统的底层驱动和功能进行开发，以便实现更多的功能。随着信息技术的快速发展，嵌入式系统中存储技术应用必将更稳定，并在智能交通领域得到广泛应用。
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参考文献
[1] 孙纪坤，张小全.嵌入式Linux 系统开发技术详解：基于ARM[M].北京：人民邮电出版社，2006.
[2] 程前，陈思泰.基于AT91SAM9260的嵌入式系统的Bootloader启动流程[EB/OL].[2015?02?15].http://www.docin.com.
[3] 刘淼.嵌入式系统接口设计与Linux驱动程序开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
[4] Anon.ARM的启动代码（2）：AT91SAM9260启动详解[EB/OL].[2011?08?23].http：//blog.csdn.net/coolbacon/article.
[5] 宋宝华.Linux设备驱动开发详解[M].北京：人民邮电出版社，2008.
[6] 安毅，蔡伯根.基于ARM 的嵌入式大容量存储设备的设计[J].微计算机信息，2008（17）：146?148.
[7] 杨忻恺，张为公，于兵，等.基于DSP的车载视频监控存储系统的设计[J].电子器件，2009（4）:805?808.
作者简介：魏峰（1976—），男，江苏睢宁人，工程师，硕士。主要研究方向为嵌入式与智能交通物联网。田锦（1963—），男，四川江安人，教授，博士。主要研究方向为智能运输系统、MAC接入技术、认知无线电。