基于鐵電存儲(chǔ)器的高速和高保真的汽車事故實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄儀

摘要：汽車行駛狀況的記錄對(duì)分析、鑒定道路交通事故、提高交通管理執(zhí)法水平和運(yùn)輸管理水平、保障車輛運(yùn)行安全具有重要作用。采用鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）作為汽車行駛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，可以顯著提高汽車行駛狀況記錄的速度和密度，減少汽車事故發(fā)生時(shí)惡劣環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)記錄的影響，準(zhǔn)確地記錄并且長時(shí)間地保存故事發(fā)生過程數(shù)據(jù)，延長實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄儀的使用壽命，為事故鑒定提供準(zhǔn)確可靠的現(xiàn)場原始數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：汽車事故 實(shí)時(shí)記錄儀 鐵電存儲(chǔ)器

1 引言

我國汽車行駛記錄儀國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19056-2003已經(jīng)于2003年9月1日開始實(shí)施，對(duì)耐高/低溫和濕熱性、抗振動(dòng)、抗沖擊、外殼防護(hù)、靜電放電抗擾度、輻射抗擾度等25項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定。汽車行駛記錄儀是能夠?qū)囕v行駛速度、時(shí)間、里程及有關(guān)車輛行駛的其他狀態(tài)信息進(jìn)行記錄、存儲(chǔ)并通過接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出的數(shù)字式電子記錄裝置。由于記錄儀能夠?qū)崟r(shí)地記錄車輛運(yùn)行和駕駛員駕駛活動(dòng)的有關(guān)信息，因而可在遏制疲勞駕駛、車輛超速等嚴(yán)重交換違章、約束駕駛?cè)藛T的不良駕駛行為、預(yù)防道路交通事故、保障車輛行駛安全、提高營運(yùn)管理水平等諸多方面發(fā)揮重要的作用，并將為事故分析鑒定提供原始數(shù)據(jù)。汽車行駛記錄儀提供的原始數(shù)據(jù)按時(shí)間先后分為二種：歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在事故發(fā)生后的事故分析時(shí)，歷史數(shù)據(jù)只是作為事故分析的參考依據(jù)，而分析事故發(fā)生原因和事故責(zé)任的主要依據(jù)則是事故發(fā)生過程的汽車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。但是，汽車事故發(fā)生的時(shí)間非常短暫，而且汽車事故發(fā)生后供電停止。那么，如何得到更多的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和如何在惡劣環(huán)境下繼續(xù)長時(shí)間保存所得數(shù)據(jù)成為汽車行駛記錄儀的關(guān)鍵。

2 汽車行駛記錄儀國家標(biāo)準(zhǔn)的要求

現(xiàn)在實(shí)施的GB/T19056-2003汽車行駛記錄儀國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)即汽車事故實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的記錄提出了明確的要求：記錄儀應(yīng)以不大于0.2s的時(shí)間間隔持續(xù)記錄并存儲(chǔ)停車前20s實(shí)時(shí)時(shí)間對(duì)應(yīng)的車輛行駛速度值及車輛制動(dòng)狀態(tài)信號(hào)，記錄次數(shù)至少為10次。

國家標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施為汽車事故實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄的存儲(chǔ)器選擇提出更高的要求。數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔不大于0.2s，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間段為事故發(fā)生前20s，要求存儲(chǔ)器訪問速度快，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率低，可擦寫次數(shù)多，數(shù)據(jù)保護(hù)措施好，數(shù)據(jù)在各種惡劣環(huán)境下的保存時(shí)間長，而且要求一定的存儲(chǔ)容量，以達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 FRAM的性能和特征

美國Ramtron公司推出的鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）采用一種全新的存儲(chǔ)材料――鐵電晶體材料，這一特殊材料使得鐵電存儲(chǔ)產(chǎn)品同時(shí)擁有隨機(jī)存取記憶體（RAM）和非易失性存儲(chǔ)產(chǎn)品的特性。產(chǎn)品的主要特點(diǎn)如下：

擦寫次數(shù)多，至少達(dá)到100億次；

速度快，沒有寫等待時(shí)間；

功耗低，讀寫電流為150μA，靜態(tài)電流小于1μA；

在高噪聲情況下，數(shù)據(jù)寫入錯(cuò)誤率低；

工作溫度范圍寬，-40℃～+85℃；

數(shù)據(jù)保護(hù)措施嚴(yán)密，數(shù)據(jù)難以丟失；

數(shù)據(jù)保護(hù)力強(qiáng)和保存時(shí)間長，在掉電情況下，數(shù)據(jù)可以保存10年以上。

汽車事故往往發(fā)生在瞬間，持續(xù)時(shí)間非常短暫，事故發(fā)生后汽車掉電，汽車事故發(fā)生往往伴隨著劇烈的碰撞甚至爆炸，汽車事故發(fā)生后，汽車行駛記錄儀儀可以短時(shí)難尋，而且事故發(fā)生時(shí)的每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)分析事故原因都極端重要，因而，F(xiàn)RAM的上述特點(diǎn)使其非常適用于汽車事故的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄。

4 FRAM的數(shù)據(jù)讀寫和保護(hù)措施

為了適應(yīng)各類用戶的使用習(xí)慣，Ramtron公司提供了三種通用的數(shù)據(jù)總線接口：I2C、SPI和并口，推出了一系列不同容量的FRAM。這里，以采用SPI接口的FM25640型為例，介紹FRAM的數(shù)據(jù)讀寫和數(shù)據(jù)保護(hù)。

4．1 FM2560簡介

FM25640是Ramtron公司新推出的產(chǎn)品之一，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口SPI總線對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問，總存儲(chǔ)容量為64k byte，最大總線工作頻率達(dá)5MHz。圖1所示為FM25640的引腳排列。

SPI接口是一種通用同步串行接口總線，SPI接口利用SCK、SI和SO 3個(gè)引腳線進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀/寫，其中，SCK為時(shí)鐘信號(hào)端，SI和SO為數(shù)據(jù)輸入和輸出端。SCK引腳的時(shí)鐘信號(hào)必須由外部單片機(jī)或控制器輸入，讀/寫命令字由SI引腳輸入，數(shù)據(jù)由SO引腳輸出。SPI接口共有4種操作模式，分別為0、1、2和3。SPI操作模式?jīng)Q定了設(shè)備接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)鐘相位和極性，即決定了時(shí)鐘信號(hào)的上升沿和下降沿與數(shù)據(jù)流方向之間的關(guān)系，F(xiàn)M25640僅支持模式0和3。在這二種模式下，SCK信號(hào)的上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)輸入，下降沿觸發(fā)數(shù)據(jù)輸出。

4．2 FM25640的數(shù)據(jù)讀寫操作

FM25640是一種8位存儲(chǔ)器，采用81928的陣列組織形式，用戶訪問時(shí)，只需指定13位訪問地址，8位數(shù)據(jù)自動(dòng)串行移位。FM25640從外界獲得的數(shù)據(jù)按功能分為二種：指令（command）和數(shù)據(jù)（data）。不同的功能具有不同的寫入格式和方法。

（1）FM25640的寫指令

FM25640總共有6條指令，它們分別是寫使能（WREN）、寫禁止（WEDI）、讀寄存器（RDSR）、寫寄存器（WRSR）、讀數(shù)據(jù)（READ）和寫數(shù)據(jù)（WRITE），這些指令控制存儲(chǔ)器需要完成的功能。圖2所示為FM25640的寫指令時(shí)序。

（2）FM25640的寫數(shù)據(jù)

由于正常情況下FM25640都是處于寫禁止?fàn)顟B(tài)，因此，在執(zhí)行寫操作之前，必須先寫入寫使能（WREN）指令，然后指定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的13位起始地址，最后輸入數(shù)據(jù)，F(xiàn)RAM的訪問速度非常塊，不需要寫等待時(shí)間，所有數(shù)據(jù)均可以總線速度連續(xù)寫入，數(shù)據(jù)寫入完成后，片選端的上升沿使本次寫使能失效，F(xiàn)RAM自動(dòng)恢復(fù)寫禁止?fàn)顟B(tài)。FM25640的寫數(shù)據(jù)時(shí)序如圖3所示。

圖4和圖5

（3）FM25640的讀操作

在片選信號(hào)有效后，總線輸入讀數(shù)據(jù)（READ）信號(hào)，指定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的13位起始地址后，SI端口被屏蔽，數(shù)據(jù)從SO端口輸出，數(shù)據(jù)地址內(nèi)部自動(dòng)增加，每個(gè)時(shí)鐘周期輸出一位，每個(gè)字節(jié)的最大有效位（MSB）最先輸出。片選端的上升沿使本次讀使能失效。讀數(shù)據(jù)的時(shí)序如圖4所示。

4．3 FM25640的數(shù)據(jù)保護(hù)措施

FRAM采用了多種有效的數(shù)據(jù)保護(hù)措施，其具體措施如下：

片選信號(hào)無效時(shí)，所有輸出引腳均為高阻態(tài)，并且忽略所有輸入信號(hào)，避免外界噪聲改寫存儲(chǔ)器；

設(shè)有寫保護(hù)端口，這個(gè)端口有效時(shí)，禁止對(duì)狀態(tài)寄存器進(jìn)行寫操作，由于每次讀寫數(shù)據(jù)前都必須向寄存器寫入相應(yīng)的指令，因此這個(gè)保護(hù)措施非常有效；

FRA寫入快速度，在高噪聲環(huán)境下，快速寫入可以減少數(shù)據(jù)受噪聲影響生產(chǎn)的錯(cuò)誤率；

在寫入過程中，首先寫入最重要的數(shù)據(jù)――最大有效位（MSB）；

FRAM上電時(shí)，默認(rèn)狀態(tài)為寫禁止，防止非法改變數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)寫入前，必須用寫使能指令開啟寫入功能，寫入完成后，F(xiàn)RAM自動(dòng)恢復(fù)寫禁止?fàn)顟B(tài)；

在狀態(tài)寄存器中的WPEN、BP0、BP1都為1，并且WP引腳為低電平的情況下，所有數(shù)據(jù)寫入都無效；

與其他存儲(chǔ)器不同，既使經(jīng)過多次擦寫，F(xiàn)RAM也很少發(fā)生硬件讀寫錯(cuò)誤；

FRAM采用和DRAM相似的讀/重寫機(jī)制，經(jīng)過多次讀出不會(huì)破壞原始數(shù)據(jù)。

有了上述數(shù)據(jù)保護(hù)措施，F(xiàn)RAM可以在惡劣的環(huán)境下正確記錄且長時(shí)間地完整保存汽車事故發(fā)生現(xiàn)場的數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在基于FRAM的高速、高保真汽車事故實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用單片機(jī)作為系統(tǒng)的協(xié)議和處理中心。通過汽車的CAN數(shù)據(jù)總線，單片機(jī)產(chǎn)生各個(gè)模塊工作的時(shí)序，并接收各種傳感器測量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后，通過I/O口或者專用接口輸入FRAM。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

5．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)初始化

汽車發(fā)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)上電，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化的主要任務(wù)是開啟中斷功能。

（2）系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

在分析事故發(fā)生原因和事故責(zé)任時(shí)，事故發(fā)生時(shí)的汽車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是主要依據(jù)。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)，記錄儀應(yīng)以不大于0.2s的時(shí)間間隔持續(xù)記錄速度值及制動(dòng)狀態(tài)信號(hào)，而對(duì)于其他非突發(fā)的參考數(shù)據(jù)可以減少其數(shù)據(jù)采集密度，因此系統(tǒng)設(shè)定突發(fā)信號(hào)和非突發(fā)信號(hào)的采樣次數(shù)比為50：1，這樣能有效減少數(shù)據(jù)量，提高有效數(shù)據(jù)采集密度，增加有效數(shù)據(jù)量。單片機(jī)從汽車CAN總線依次讀取速度、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向燈等傳感器的值，經(jīng)過簡單處理，送入FRAM存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)寬度均為8位，總線速度為1MHz，得到的突發(fā)信號(hào)平均記錄間隔小于20ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)0.2s的采樣時(shí)間間隔。64k byte的存儲(chǔ)量可以存儲(chǔ)長達(dá)將近2min的數(shù)據(jù)量，超過國標(biāo)的20s的數(shù)據(jù)記錄量。

（3）汽車事故發(fā)生的反應(yīng)

汽車事故發(fā)生時(shí)，往往伴隨著強(qiáng)烈的振動(dòng)，這個(gè)強(qiáng)烈的振動(dòng)信號(hào)由振動(dòng)傳感器拾取，產(chǎn)生中斷信號(hào)，中斷信號(hào)使單片機(jī)停止訪問各個(gè)模塊傳感器，并向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)的末尾加寫數(shù)據(jù)結(jié)束符“”，然后向FRAM狀態(tài)寄存器寫入10001100，禁止對(duì)FRAM進(jìn)行任何寫操作，所有這些操作無關(guān)100μs內(nèi)完成。

（4）事故的數(shù)據(jù)保存

汽車事故發(fā)生后，若系統(tǒng)不掉電，則系統(tǒng)停止在中斷的空循環(huán)，不對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行任何訪問，F(xiàn)RAM由于中斷啟動(dòng)的數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制有效，任何非系統(tǒng)數(shù)據(jù)寫入都被FRAM拒絕；若系統(tǒng)掉電，F(xiàn)RAM的WP引腳也為低電平，禁止對(duì)FRAM的狀態(tài)寄存器進(jìn)行寫操作，而中斷程序使WPEN、BP0、BP1=1，因此外界對(duì)存儲(chǔ)器的任何非法操作都無法實(shí)現(xiàn)。

6 總結(jié)

汽車行駛記錄儀可以詳細(xì)記錄汽車事故發(fā)生前的行駛狀況，為汽車事故原因分析和責(zé)任評(píng)定提供了強(qiáng)有力的手段和證據(jù)，更好地保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。采用FRAM作為汽車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄儀的存儲(chǔ)器，能夠快速、高密度地記錄事故發(fā)生過程的汽車行駛狀況，減少由于汽車事故發(fā)生的惡劣環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)記錄的影響，準(zhǔn)確地記錄并且長時(shí)間地保存事故現(xiàn)場，延長實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄儀的使用壽命，同時(shí)，采用FRAM可以簡化系統(tǒng)，減低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的可靠性。將來，隨著FRAM技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)RAM的存儲(chǔ)量還會(huì)大大增加，可以增加汽車狀態(tài)傳感器的數(shù)量和種類，提高事故發(fā)生前的數(shù)據(jù)記錄密度，為事故分析和責(zé)任證定提供更全面、準(zhǔn)確、細(xì)致的汽車行駛狀態(tài)記錄。