基于C99开源log.c的无人机日志系统设计与实现（下）

最新推荐文章于 2025-12-22 20:04:53 发布

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#无人机 #嵌入式硬件 #飞控 #c语言 #stm32

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改造5：日志轮转与存储管理，避免SD卡爆满

无人机的SD卡容量有限（通常16GB~32GB），若日志文件无限制增长，不仅会占满存储空间，还会导致单文件过大（如1GB），后期分析时难以加载。因此，日志轮转（Log Rotation）是必须实现的功能——自动分割大文件、按数量保留日志，并清理过期文件。

核心设计目标：

单文件大小限制：每个日志文件不超过10MB（可配置），避免单个文件过大；
总文件数量限制：最多保留100个日志文件（可配置），超过则删除最旧的；
低开销切换：文件切换过程不阻塞高优先级任务（如控制算法）；
空间不足保护：当SD卡剩余空间低于10%时，只记录ERROR级别以上日志。

实现方案：

日志文件元数据管理

首先需要记录所有日志文件的信息（创建时间、文件名），用于判断是否需要轮转和清理旧文件。我们用一个静态数组存储文件列表：

#define MAX_LOG_FILES 100 // 最大保留文件数
#define MAX_FILE_SIZE (10 * 1024 * 1024) // 10MB

// 日志文件元数据结构
typedef struct {
char filename[32]; // 文件名（如log_20250808_103000.txt）
uint32_t create_time; // 创建时间（毫秒时间戳）
} LogFileInfo;

static LogFileInfo log_files[MAX_LOG_FILES]; // 日志文件列表
static uint8_t file_count = 0; // 当前文件数量
static uint32_t current_file_size = 0; // 当前文件已写入大小

日志轮转触发与新文件创建

在每次写入SD卡前，检查当前文件大小是否超过阈值。若超过，则关闭当前文件，创建新文件，并更新文件列表：

// 检查是否需要轮转日志
static void check_rotate() {
if (current_file_size < MAX_FILE_SIZE) {
return; // 未达阈值，无需轮转
}

// 关闭当前文件
f_close(&log_file);

// 创建新文件（按当前时间命名）
char new_filename[32];
get_filename_by_time(new_filename); // 生成带时间的文件名
FRESULT res = f_open(&log_file, new_filename, FA_WRITE | FA_CREATE_ALWAYS);
if (res != FR_OK) {
log_error(“create new log file failed: %d”, res);
return;
}

// 更新文件列表
if (file_count < MAX_LOG_FILES) {
// 新增文件到列表
strcpy(log_files[file_count].filename, new_filename);
log_files[file_count].create_time = get_tick_ms();
file_count++;
} else {
// 文件数已达上限，删除最旧文件后新增
delete_oldest_file(); // 删除最旧文件
// 移位腾出位置
for (int i = 0; i < MAX_LOG_FILES - 1; i++) {
log_files[i] = log_files[i + 1];
}
// 添加新文件
strcpy(log_files[MAX_LOG_FILES - 1].filename, new_filename);
log_files[MAX_LOG_FILES - 1].create_time = get_tick_ms();
}

current_file_size = 0; // 重置当前文件大小计数
}

// 生成带时间的文件名（如log_20250808_103000_123.txt，含毫秒）
static void get_filename_by_time(char *buf) {
time_t t = time(NULL);
struct tm *tm = localtime(&t);
uint32_t ms = get_tick_ms() % 1000;
snprintf(buf, 32, “log_%04d%02d%02d_%02d%02d%02d_%03d.txt”,
tm->tm_year + 1900, tm->tm_mon + 1, tm->tm_mday,
tm->tm_hour, tm->tm_min, tm->tm_sec, ms);
}

// 删除最旧的日志文件
static void delete_oldest_file() {
if (file_count == 0) return;
// 找到最旧文件（create_time最小）
uint8_t oldest_idx = 0;
for (int i = 1; i < file_count; i++) {
if (log_files[i].create_time < log_files[oldest_idx].create_time) {
oldest_idx = i;
}
}
// 删除文件
f_unlink(log_files[oldest_idx].filename);
log_info(“deleted oldest log file: %s”, log_files[oldest_idx].filename);
}

在 sd_write() 函数中调用 check_rotate() ，确保写入前检查是否需要轮转：

static void sd_write(const char *buf) {
if (sd_status != FR_OK) return;

// 检查是否需要轮转
check_rotate();

// 写入日志并更新当前文件大小
UINT bw;
f_write(&log_file, buf, strlen(buf), &bw);
current_file_size += bw; // 累加写入大小

// … 之前的缓存刷新逻辑 …
}

存储空间不足保护

当SD卡剩余空间低于阈值（如10%）时，应限制日志输出（只保留关键错误），避免因空间耗尽导致系统异常：

// 检查SD卡剩余空间
static float get_sd_free_space_ratio() {
FATFS *fs;
DWORD free_clusters, total_clusters;
if (f_getfree("/", &free_clusters, &fs) != FR_OK) {
return -1.0f; // 获取失败
}
total_clusters = fs->n_fatent - 2; // 总簇数（减去根目录和FAT表占用）
return (float)free_clusters / total_clusters; // 剩余空间比例
}

// 在日志初始化时检查空间，写入时动态调整级别
void log_check_space() {
float free_ratio = get_sd_free_space_ratio();
if (free_ratio < 0.1f && free_ratio >= 0) { // 剩余空间<10%
log_set_level(LOG_ERROR); // 只保留ERROR及以上级别
log_warn(“SD card space low (%.1f%%), restrict log level to ERROR”, free_ratio * 100);
} else {
log_set_level(LOG_INFO); // 恢复默认级别
}
}

// 在sd_write()中添加空间检查（每100次写入检查一次，避免频繁调用）
static void sd_write(const char *buf) {
static uint8_t check_cnt = 0;
if (++check_cnt >= 100) {
log_check_space();
check_cnt = 0;
}
// … 原有写入逻辑 …
}

按需调整日志频率

无人机在不同阶段的日志需求不同：

地面调试阶段：需高频记录传感器数据（如10ms/次），方便调试；
巡航飞行阶段：可降低频率（如100ms/次），减少存储占用；
异常状态（如避障触发）：需临时提高频率（如5ms/次），详细记录异常过程。

实现方式：为关键日志函数添加频率控制参数，根据无人机状态动态调整：

// 定义日志频率控制结构体
typedef struct {
uint32_t accel_interval; // 加速度计日志间隔（ms）
uint32_t motor_interval; // 电机日志间隔（ms）
uint32_t last_accel; // 上次加速度计日志时间
uint32_t last_motor; // 上次电机日志时间
} LogFrequency;

static LogFrequency log_freq = {
.accel_interval = 10, // 默认10ms/次
.motor_interval = 10 // 默认10ms/次
};

// 根据飞行状态调整频率（示例：巡航时降低频率）
void log_adjust_freq_by_state(FlightState state) {
switch (state) {
case FLIGHT_GROUND: // 地面调试
log_freq.accel_interval = 10;
log_freq.motor_interval = 10;
break;
case FLIGHT_CRUISE: // 巡航飞行
log_freq.accel_interval = 100;
log_freq.motor_interval = 100;
break;
case FLIGHT_OBSTACLE: // 避障状态
log_freq.accel_interval = 5;
log_freq.motor_interval = 5;
break;
}
}

// 带频率控制的加速度计日志函数
#define log_accel_freq(x, y, z) do {
uint32_t now = get_tick_ms();
if (now - log_freq.last_accel >= log_freq.accel_interval) {
log_accel(x, y, z);
log_freq.last_accel = now;
}
} while(0)

在传感器采集任务中调用 log_accel_freq() ，而非直接调用 log_accel() ，即可实现频率控制：

// 传感器任务循环
void sensor_task() {
while (1) {
// 读取加速度计数据
float x, y, z;
accel_read(&x, &y, &z);
// 按当前频率记录日志
log_accel_freq(x, y, z);
vTaskDelay(1); // 1ms延时
}
}

改造5的优势：

自动轮转避免单文件过大，后期分析时可按时间快速定位；
限制文件数量和动态调整频率，显著降低SD卡存储压力；
空间不足保护机制防止因存储耗尽导致的系统崩溃；
按需调整频率兼顾调试需求和存储效率，延长SD卡使用寿命（Flash写入次数有限）。

改造6：关键日志的可靠性保障——应对突发断电与硬件故障

无人机在飞行中可能遭遇突发故障（如电池脱落、SD卡松动），此时最关键的日志（如故障前的传感器数据、错误信息）必须被保留。原 log.c 的输出依赖缓存机制，无法保证数据即时写入，需要针对性优化。

核心需求：

关键日志（如LOG_FATAL、LOG_ERROR）必须"即时写入"，不依赖缓存；
硬件故障（如SD卡读写失败）时，关键日志需备份到备用存储（如片内Flash）；
断电前的最后一条日志需通过"掉电检测"机制强制写入。

实现方案：

关键日志的即时刷新

对于ERROR及以上级别的日志，跳过缓存直接强制写入物理介质（SD卡/Flash），确保数据不丢失：

// 修改log_write()，对关键级别强制刷新
static void log_write(log_level level, const char *buf) {
log_dest dest = level_dest[level];

// 写SD卡：关键级别强制同步
if (dest & LOG_DEST_SD) {
UINT bw;
f_write(&log_file, buf, strlen(buf), &bw);
current_file_size += bw;

// 若为ERROR/FATAL级别，立即同步到磁盘（不依赖缓存）
if (level >= LOG_ERROR) {
  f_sync(&log_file);  // 强制刷新到SD卡物理介质
} else {
  // 非关键级别按原有缓存策略刷新
  // ... 之前的缓存刷新逻辑 ...
}

}

// 写串口（地面站）：关键日志优先发送
if (dest & LOG_DEST_UART) {
if (level >= LOG_ERROR) {
// 关键日志用中断方式发送，确保不被阻塞
uart_send_interrupt(buf); // 非阻塞发送
} else {
uart_send(buf); // 普通阻塞发送
}
}
}

硬件故障时的日志备份

当SD卡读写失败（如松动、损坏），关键日志需写入片内Flash（无人机飞控板通常有几十KB的片内Flash，可临时存储）：

// 片内Flash备份函数（基于STM32的HAL库示例）
#include “stm32f4xx_hal_flash.h”

#define BACKUP_FLASH_ADDR 0x080E0000 // 片内Flash备份区起始地址（需避开程序区）
#define BACKUP_MAX_LEN 4096 // 备份区大小（4KB）
static uint32_t flash_backup_ptr = 0; // 当前备份位置

// 写入片内Flash（关键日志备份）
static void flash_backup(const char *buf) {
uint32_t addr = BACKUP_FLASH_ADDR + flash_backup_ptr;
// 检查是否超出备份区大小
if (flash_backup_ptr + strlen(buf) >= BACKUP_MAX_LEN) {
return; // 备份区满，放弃
}

// 解锁Flash（STM32写Flash需先解锁）
HAL_FLASH_Unlock();
// 写入数据（按字节写入，Flash最小写入单位为半字）
for (int i = 0; i < strlen(buf); i++) {
HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_BYTE, addr + i, buf[i]);
}
HAL_FLASH_Lock(); // 锁定Flash

flash_backup_ptr += strlen(buf); // 更新备份位置
}

// 在sd_write()中添加SD卡故障检测与备份
static void sd_write(const char *buf) {
if (sd_status != FR_OK) {
// SD卡故障，备份关键日志到片内Flash
if (level >= LOG_ERROR) {
flash_backup(buf);
}
return;
}
// … 原有SD卡写入逻辑 …
}

掉电检测与最后的日志保存

无人机通常配备电压监测电路，当检测到供电电压骤降（如电池脱落）时，可触发中断保存最后一条日志：

// 掉电检测中断服务函数（假设通过ADC监测电池电压）
void power_loss_irq_handler() {
// 记录掉电事件
char buf[64];
snprintf(buf, 64, “[%s] [FATAL] power loss detected, voltage: %.2fV\n”,
timestamp, get_battery_voltage());

// 强制写入SD卡（若SD卡仍可用）
if (sd_status == FR_OK) {
f_write(&log_file, buf, strlen(buf), &bw);
f_sync(&log_file); // 最后一次同步
} else {
// SD卡不可用，写入片内Flash
flash_backup(buf);
}
}

改造6的优势：

关键日志通过即时刷新和硬件备份，确保极端情况下不丢失；
掉电检测机制捕捉最后一刻的系统状态，为故障分析提供关键依据；
多级备份（SD卡+片内Flash）降低因单一硬件故障导致日志丢失的风险。

测试与验证：改造后的日志系统是否可靠？

为验证改造后日志系统的有效性，我们在实际无人机平台（基于STM32F407飞控板+FreeRTOS）上进行了多场景测试。

测试场景1：多任务并发日志冲突

测试方法：启动4个任务（传感器采集、控制算法、通信、状态监测），每个任务以10ms周期输出日志，持续1小时。
预期结果：日志内容无错乱，每条日志完整且时间戳连续。
实际结果：通过互斥锁保护，所有日志均完整，未出现字符串交叉现象，任务ID标记清晰，可追溯每条日志的来源任务。

测试场景2：SD卡空间耗尽

测试方法：用1GB小容量SD卡，设置日志级别为TRACE（最高频率），持续写入直到空间耗尽。
预期结果：空间低于10%时自动切换到ERROR级别，不出现系统崩溃。
实际结果：当空间剩余9.8%时，日志级别自动调整，仅保留ERROR及以上日志；空间耗尽后，系统仍能正常运行（不写入日志），未出现异常重启。

测试场景3：突发断电数据完整性

测试方法：在无人机执行避障动作时（高频输出日志），突然断开电源，重启后检查日志。
预期结果：断电前的避障数据（最后5条日志）完整保存。
实际结果：通过掉电检测机制，最后5条避障日志（含传感器数据和电机指令）均被写入SD卡；模拟SD卡故障时，关键日志成功备份到片内Flash，重启后可通过工具读取。

测试场景4：资源占用评估

测试方法：在飞控板上运行日志系统，用示波器和内存监控工具测量资源消耗。
结果：