FRAM在行車(chē)記錄儀中的應(yīng)用

FRAM(鐵電存儲(chǔ)器)現(xiàn)已成功地運(yùn)用于各種高可靠性應(yīng)用，如工業(yè)控制系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)、關(guān)鍵任務(wù)空間及高可靠性的軍事應(yīng)用中。經(jīng)實(shí)踐證明，F(xiàn)RAM是一種可信、可靠的非易失性內(nèi)存技術(shù)，在大多數(shù)應(yīng)用中使用的時(shí)間已超過(guò)20年。FRAM通過(guò)了AEC-Q100認(rèn)證，具有高性能和高可靠性，適用于3級(jí)（-40℃ ~+85℃）和1級(jí) （-40℃ ~ +125℃）汽車(chē)應(yīng)用。高可靠性以及幾乎無(wú)限次(100萬(wàn)億)寫(xiě)周期，使其成為新一代汽車(chē)應(yīng)用——高燃油效率、增強(qiáng)的安全特性、高端自動(dòng)化及控制的最佳選擇之一。

FRAM可在大多數(shù)汽車(chē)子系統(tǒng)中用于非易失性數(shù)據(jù)記錄，如智能安全氣囊、穩(wěn)定控制、動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、儀表盤(pán)儀表、電池管理、發(fā)動(dòng)機(jī)控制和娛樂(lè)信息節(jié)目應(yīng)用，且能夠承受更高級(jí)別的溫度范圍。本文探討的是FRAM在汽車(chē)事故數(shù)據(jù)記錄器(即行車(chē)記錄儀)中的應(yīng)用情況。

什么是EDR?

汽車(chē)事故數(shù)據(jù)記錄器（即行車(chē)記錄儀，以下簡(jiǎn)稱EDR）在某種程度上類似于飛機(jī)和火車(chē)中的數(shù)據(jù)記錄器。EDR也被稱為汽車(chē)“黑匣子”或“碰撞記錄器”，最初是用于獲取和記錄汽車(chē)單元內(nèi)不同控制模塊的數(shù)據(jù)，并利用獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以提高未來(lái)設(shè)計(jì)中安全氣囊的性能。獲取的數(shù)據(jù)包括碰撞嚴(yán)重程度，通過(guò)測(cè)量沖擊力、車(chē)輛速度、引擎轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向輸入、油門(mén)位置、制動(dòng)狀態(tài)、安全帶狀態(tài)、輪胎氣壓、警告信號(hào)及安全氣囊展開(kāi)的記錄來(lái)獲取。


圖1:車(chē)禍范例

EDR記錄的是車(chē)禍前、車(chē)禍中和車(chē)禍后幾秒內(nèi)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，旨在監(jiān)控和獲取有關(guān)車(chē)輛安全系統(tǒng)性能的數(shù)據(jù)。美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（NHTSA）指出，這些數(shù)據(jù)可以提供有關(guān)碰撞嚴(yán)重程度的寶貴信息，且可以用來(lái)判斷車(chē)禍發(fā)生時(shí)汽車(chē)是否操作得當(dāng)。EDR中存儲(chǔ)的信息也可用于查找事故發(fā)生的主要原因，進(jìn)而幫助汽車(chē)制造商改進(jìn)和部署更先進(jìn)的安全系統(tǒng)。此外，該數(shù)據(jù)也有助于政府機(jī)構(gòu)和道路建設(shè)公司在公路施工期間采取適當(dāng)?shù)陌踩胧?，從而將施工缺?過(guò)失降至最低，避免致命事故。

EDR是如何發(fā)揮作用的?

EDR需要具備以下幾個(gè)關(guān)鍵特性：精度； 收集；存儲(chǔ)；耐受性；可回收性。

當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，來(lái)自不同位置的多個(gè)傳感器的診斷信息會(huì)發(fā)送到EDR，便于EDR內(nèi)的控制器芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)解析和起動(dòng)相應(yīng)的控制行動(dòng)。碰撞檢測(cè)算法會(huì)根據(jù)傳感器輸入的數(shù)據(jù)確定是否打開(kāi)安全氣囊。碰撞傳感使用的預(yù)測(cè)算法以各種沖擊條件對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)值為基礎(chǔ)。此預(yù)測(cè)算法通常必須在沖擊發(fā)生后50毫秒內(nèi)確定是否打開(kāi)安全氣囊。圖2為典型的EDR框圖。


圖2:EDR典型框圖

EDR模塊能夠連續(xù)監(jiān)視傳感器數(shù)據(jù)值，并將它們存儲(chǔ)在一個(gè)通常創(chuàng)建在控制器RAM中的循環(huán)緩沖區(qū)內(nèi)。圖3為車(chē)輛中的EDR模塊，圖4為EDR模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。


圖3:車(chē)輛中的EDR模塊


圖4:EDR內(nèi)部結(jié)構(gòu)

EDR要求以粒度記錄數(shù)據(jù)，這是因?yàn)槭鹿手亟ㄍǔＰ枰?~8毫秒捕獲的數(shù)據(jù)樣本，以呈現(xiàn)并還原事故現(xiàn)場(chǎng)。在從各個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)被新的數(shù)據(jù)覆蓋前，需要存儲(chǔ)并保留在循環(huán)緩沖區(qū)內(nèi)至少5到10秒。當(dāng)安全氣囊傳感系統(tǒng)算法診斷沖擊時(shí)，緩沖區(qū)刷新會(huì)暫停，安全氣囊展開(kāi)并啟動(dòng)。安全氣囊展開(kāi)時(shí)，司機(jī)安全帶開(kāi)關(guān)狀態(tài)、乘客安全氣囊開(kāi)關(guān)狀態(tài)、警告燈狀態(tài)及展開(kāi)時(shí)間會(huì)被臨時(shí)捕獲并存儲(chǔ)在RAM內(nèi)。用來(lái)確定是否展開(kāi)安全氣囊的關(guān)鍵參數(shù)值也捕捉到RAM中。執(zhí)行算法后150ms，RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)轉(zhuǎn)移到非易失性內(nèi)存。使用EEPROM時(shí)，需要大約700毫秒，以記錄所有信息。

為防止重要數(shù)據(jù)丟失并確保數(shù)據(jù)安全地存儲(chǔ)在EEPROM中，安全氣囊控制模塊必須確保備用電源可持續(xù)供應(yīng)700 ms，以便完整地記錄信息。未能提供要求的備用電源時(shí)，可能會(huì)從數(shù)據(jù)記錄器或EDR中恢復(fù)不到任何數(shù)據(jù)?？赡馨l(fā)生的一種情況就是電源在碰撞中發(fā)生災(zāi)難性損失。在此情況下，安全氣囊控制模塊備用電源（通常是電容器）會(huì)優(yōu)先用于打開(kāi)安全氣囊，如果沒(méi)有剩余電量給記錄器，即使安全氣囊成功展開(kāi)，也不會(huì)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

一旦安全氣囊展開(kāi)記錄寫(xiě)入非易失性內(nèi)存，就不能刪除、修改或者由服務(wù)或事故調(diào)查人員清空。所有的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可用適當(dāng)?shù)淖R(shí)別軟件和接口硬件恢復(fù)。

為什么要在汽車(chē)中使用“FRAM”?

與EEPROM和FLASH非易失性內(nèi)存相比，F(xiàn)RAM在EDR應(yīng)用上有三大關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。首先，對(duì)于那些有精確時(shí)間要求的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，F(xiàn)RAM會(huì)立即具備非易失性。這些應(yīng)用在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，最重要的數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)記錄器通常會(huì)面臨風(fēng)險(xiǎn)。其次， FRAM擦寫(xiě)周期為10E+14，而EEROM為10E+6，F(xiàn)LASH為10E+5，。因此，F(xiàn)RAM是數(shù)據(jù)記錄器的理想選擇，其數(shù)據(jù)可持續(xù)寫(xiě)入。最后，F(xiàn)RAM的讀寫(xiě)操作功耗低，對(duì)于具有獨(dú)立有限電源如電池或電容的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，尤其具有高效性。

FRAM更能適應(yīng)外界溫度，這意味著工作溫度升高時(shí)，其擦寫(xiě)周期和數(shù)據(jù)保留更能經(jīng)受考驗(yàn)。許多EEPROM耐溫為85°C，在耐溫要求為125°C的汽車(chē)應(yīng)用中，耐擦寫(xiě)能力會(huì)降到10E + 5，因此不適于汽車(chē)應(yīng)用。

大多數(shù)現(xiàn)有的EDR解決方案是將連續(xù)數(shù)據(jù)記錄到RAM緩沖區(qū)，只有在事故期間觸發(fā)安全氣囊展開(kāi)算法時(shí)才轉(zhuǎn)移到非易失性內(nèi)存。因此，如果事故幾乎致命，安全氣囊沒(méi)有打開(kāi)，且電源缺失，碰撞數(shù)據(jù)將有可能不會(huì)保存到非易失性空間。這樣，EDR就沒(méi)有最后一刻的數(shù)據(jù)，將無(wú)法進(jìn)行事故還原。由于FRAM可以存儲(chǔ)最后一刻碰撞數(shù)據(jù)，且不需要任何外部電源，因而可以在這種情況下發(fā)揮關(guān)鍵作用。以下為FRAM在汽車(chē)應(yīng)用方面的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì):

在SRAM中接近無(wú)限次的擦寫(xiě)周期：

FRAM可以用作SRAM數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。運(yùn)行期間，控制器能直接在FRAM中連續(xù)記錄事故。FRAM是一種非易失性內(nèi)存，掉電情況下也可保存數(shù)據(jù)。因此，即使主電源發(fā)生災(zāi)難性的破壞，最后一刻數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。由于數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入FRAM，因此無(wú)需將最后一刻的數(shù)據(jù)從SRAM轉(zhuǎn)移到非易失性空間，如EEPROM或Flash中。使用FRAM，無(wú)需備用電源，即可保存最后一刻的碰撞數(shù)據(jù)。


圖5:Cypress的FRAM擦寫(xiě)周期與EEPROM和Flash的對(duì)比

無(wú)寫(xiě)延遲：

某些事故需要每秒鐘記錄1000次，以捕捉每一個(gè)細(xì)節(jié)，這對(duì)于現(xiàn)有的EEPROM和基于Flash的EDR而言是個(gè)很大的挑戰(zhàn)。EEPROM通常是逐頁(yè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，每?jī)身?yè)之間需要幾毫秒的存儲(chǔ)時(shí)間延時(shí)，從而限制了數(shù)據(jù)記錄功能。FRAM的“無(wú)延遲”寫(xiě)入功能，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以系統(tǒng)總線速度獲得和寫(xiě)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

快寫(xiě)和低功耗：

FRAM擁有高速串行SPI和I2C接口及高速并行同步訪問(wèn)，加之其一流的非易失性寫(xiě)入速度，使得控制器可以用較少的時(shí)間將數(shù)據(jù)寫(xiě)入FRAM。其功耗只是現(xiàn)有方案總功率的一小部分。


圖6:Cypress的FRAM能耗與EEPROM和Flash的對(duì)比

高可靠性：

要實(shí)現(xiàn)精度、耐受性、可回收性及耐久性的目標(biāo)，EDR的數(shù)據(jù)可靠性至關(guān)重要。由于此內(nèi)存空間用來(lái)記錄關(guān)鍵的傳感器數(shù)據(jù)，因此汽車(chē)應(yīng)用必須具備高可靠性和數(shù)據(jù)完整性。

結(jié)論

相比于其他市場(chǎng)，汽車(chē)市場(chǎng)更為關(guān)注技術(shù)成熟度。EEPROM和Flash技術(shù)易于理解，且已在主要供應(yīng)商建立了質(zhì)量控制基礎(chǔ)設(shè)施。通常，面對(duì)新引入的技術(shù)，人們總是遲遲不愿采納，技術(shù)人員必須在對(duì)其可靠性和可用性放心無(wú)憂后才愿意采取行動(dòng)。目前，F(xiàn)RAM在汽車(chē)行業(yè)的銷(xiāo)售數(shù)量已超過(guò)5億臺(tái)，技術(shù)已相當(dāng)成熟，汽車(chē)行業(yè)的客戶完全可以對(duì)此放心無(wú)憂。