基于鐵電存儲器的高速和高保真的汽車(chē)事故實(shí)時(shí)數據記錄儀

摘要：汽車(chē)行駛狀況的記錄對分析、鑒定道路交通事故、提高交通管理執法水平和運輸管理水平、保障車(chē)輛運行安全具有重要作用。采用鐵電存儲器（FRAM）作為汽車(chē)行駛實(shí)時(shí)數據存儲設備，可以顯著(zhù)提高汽車(chē)行駛狀況記錄的速度和密度，減少汽車(chē)事故發(fā)生時(shí)惡劣環(huán)境對數據記錄的影響，準確地記錄并且長(cháng)時(shí)間地保存故事發(fā)生過(guò)程數據，延長(cháng)實(shí)時(shí)數據記錄儀的使用壽命，為事故鑒定提供準確可靠的現場(chǎng)原始數據。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)事故 實(shí)時(shí)記錄儀 鐵電存儲器

1 引言

我國汽車(chē)行駛記錄儀國家標準GB/T19056-2003已經(jīng)于2003年9月1日開(kāi)始實(shí)施，對耐高/低溫和濕熱性、抗振動(dòng)、抗沖擊、外殼防護、靜電放電抗擾度、輻射抗擾度等25項技術(shù)指標都進(jìn)行了嚴格的規定。汽車(chē)行駛記錄儀是能夠對車(chē)輛行駛速度、時(shí)間、里程及有關(guān)車(chē)輛行駛的其他狀態(tài)信息進(jìn)行記錄、存儲并通過(guò)接口實(shí)現數據輸出的數字式電子記錄裝置。由于記錄儀能夠實(shí)時(shí)地記錄車(chē)輛運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(chē)輛超速等嚴重交換違章、約束駕駛人員的不良駕駛行為、預防道路交通事故、保障車(chē)輛行駛安全、提高營(yíng)運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據。汽車(chē)行駛記錄儀提供的原始數據按時(shí)間先后分為二種：歷史數據和實(shí)時(shí)數據。在事故發(fā)生后的事故分析時(shí)，歷史數據只是作為事故分析的參考依據，而分析事故發(fā)生原因和事故責任的主要依據則是事故發(fā)生過(guò)程的汽車(chē)實(shí)時(shí)數據。但是，汽車(chē)事故發(fā)生的時(shí)間非常短暫，而且汽車(chē)事故發(fā)生后供電停止。那么，如何得到更多的實(shí)時(shí)數據和如何在惡劣環(huán)境下繼續長(cháng)時(shí)間保存所得數據成為汽車(chē)行駛記錄儀的關(guān)鍵。

2 汽車(chē)行駛記錄儀國家標準的要求

現在實(shí)施的GB/T19056-2003汽車(chē)行駛記錄儀國家標準對事故疑點(diǎn)數據即汽車(chē)事故實(shí)時(shí)數據的記錄提出了明確的要求：記錄儀應以不大于0.2s的時(shí)間間隔持續記錄并存儲停車(chē)前20s實(shí)時(shí)時(shí)間對應的車(chē)輛行駛速度值及車(chē)輛制動(dòng)狀態(tài)信號，記錄次數至少為10次。

國家標準的實(shí)施為汽車(chē)事故實(shí)時(shí)數據記錄的存儲器選擇提出更高的要求。數據記錄時(shí)間間隔不大于0.2s，數據記錄時(shí)間段為事故發(fā)生前20s，要求存儲器訪(fǎng)問(wèn)速度快，數據錯誤率低，可擦寫(xiě)次數多，數據保護措施好，數據在各種惡劣環(huán)境下的保存時(shí)間長(cháng)，而且要求一定的存儲容量，以達到國家標準的要求。

3 FRAM的性能和特征

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

擦寫(xiě)次數多，至少達到100億次；

速度快，沒(méi)有寫(xiě)等待時(shí)間；

功耗低，讀寫(xiě)電流為150μA，靜態(tài)電流小于1μA；

在高噪聲情況下，數據寫(xiě)入錯誤率低；

工作溫度范圍寬，-40℃～+85℃；

數據保護措施嚴密，數據難以丟失；

數據保護力強和保存時(shí)間長(cháng)，在掉電情況下，數據可以保存10年以上。

汽車(chē)事故往往發(fā)生在瞬間，持續時(shí)間非常短暫，事故發(fā)生后汽車(chē)掉電，汽車(chē)事故發(fā)生往往伴隨著(zhù)劇烈的碰撞甚至爆炸，汽車(chē)事故發(fā)生后，汽車(chē)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)數據對分析事故原因都極端重要，因而，FRAM的上述特點(diǎn)使其非常適用于汽車(chē)事故的實(shí)時(shí)數據記錄。

4 FRAM的數據讀寫(xiě)和保護措施

為了適應各類(lèi)用戶(hù)的使用習慣，Ramtron公司提供了三種通用的數據總線(xiàn)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的數據讀寫(xiě)和數據保護。

4．1 FM2560簡(jiǎn)介

FM25640是Ramtron公司新推出的產(chǎn)品之一，采用工業(yè)標準串行外設接口SPI總線(xiàn)對存儲器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，總存儲容量為64k byte，最大總線(xiàn)工作頻率達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(xiàn)，SPI接口利用SCK、SI和SO 3個(gè)引腳線(xiàn)進(jìn)行數據的讀/寫(xiě)，其中，SCK為時(shí)鐘信號端，SI和SO為數據輸入和輸出端。SCK引腳的時(shí)鐘信號必須由外部單片機或控制器輸入，讀/寫(xiě)命令字由SI引腳輸入，數據由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定了設備接收和發(fā)送數據時(shí)的時(shí)鐘相位和極性，即決定了時(shí)鐘信號的上升沿和下降沿與數據流方向之間的關(guān)系，FM25640僅支持模式0和3。在這二種模式下，SCK信號的上升沿觸發(fā)數據輸入，下降沿觸發(fā)數據輸出。

4．2 FM25640的數據讀寫(xiě)操作

FM25640是一種8位存儲器，采用81928的陣列組織形式，用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，只需指定13位訪(fǎng)問(wèn)地址，8位數據自動(dòng)串行移位。FM25640從外界獲得的數據按功能分為二種：指令（command）和數據（data）。不同的功能具有不同的寫(xiě)入格式和方法。

（1）FM25640的寫(xiě)指令

FM25640總共有6條指令，它們分別是寫(xiě)使能（WREN）、寫(xiě)禁止（WEDI）、讀寄存器（RDSR）、寫(xiě)寄存器（WRSR）、讀數據（READ）和寫(xiě)數據（WRITE），這些指令控制存儲器需要完成的功能。圖2所示為FM25640的寫(xiě)指令時(shí)序。

（2）FM25640的寫(xiě)數據

由于正常情況下FM25640都是處于寫(xiě)禁止狀態(tài)，因此，在執行寫(xiě)操作之前，必須先寫(xiě)入寫(xiě)使能（WREN）指令，然后指定數據存儲的13位起始地址，最后輸入數據，FRAM的訪(fǎng)問(wèn)速度非常塊，不需要寫(xiě)等待時(shí)間，所有數據均可以總線(xiàn)速度連續寫(xiě)入，數據寫(xiě)入完成后，片選端的上升沿使本次寫(xiě)使能失效，FRAM自動(dòng)恢復寫(xiě)禁止狀態(tài)。FM25640的寫(xiě)數據時(shí)序如圖3所示。

圖4和圖5

（3）FM25640的讀操作

在片選信號有效后，總線(xiàn)輸入讀數據（READ）信號，指定數據存儲的13位起始地址后，SI端口被屏蔽，數據從SO端口輸出，數據地址內部自動(dòng)增加，每個(gè)時(shí)鐘周期輸出一位，每個(gè)字節的最大有效位（MSB）最先輸出。片選端的上升沿使本次讀使能失效。讀數據的時(shí)序如圖4所示。

4．3 FM25640的數據保護措施

FRAM采用了多種有效的數據保護措施，其具體措施如下：

片選信號無(wú)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，避免外界噪聲改寫(xiě)存儲器；

設有寫(xiě)保護端口，這個(gè)端口有效時(shí)，禁止對狀態(tài)寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作，由于每次讀寫(xiě)數據前都必須向寄存器寫(xiě)入相應的指令，因此這個(gè)保護措施非常有效；

FRA寫(xiě)入快速度，在高噪聲環(huán)境下，快速寫(xiě)入可以減少數據受噪聲影響生產(chǎn)的錯誤率；

在寫(xiě)入過(guò)程中，首先寫(xiě)入最重要的數據――最大有效位（MSB）；

FRAM上電時(shí)，默認狀態(tài)為寫(xiě)禁止，防止非法改變數據。在數據寫(xiě)入前，必須用寫(xiě)使能指令開(kāi)啟寫(xiě)入功能，寫(xiě)入完成后，FRAM自動(dòng)恢復寫(xiě)禁止狀態(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，所有數據寫(xiě)入都無(wú)效；

與其他存儲器不同，既使經(jīng)過(guò)多次擦寫(xiě)，FRAM也很少發(fā)生硬件讀寫(xiě)錯誤；

FRAM采用和DRAM相似的讀/重寫(xiě)機制，經(jīng)過(guò)多次讀出不會(huì )破壞原始數據。

有了上述數據保護措施，FRAM可以在惡劣的環(huán)境下正確記錄且長(cháng)時(shí)間地完整保存汽車(chē)事故發(fā)生現場(chǎng)的數據。

5 系統設計

5．1 系統硬件設計

在基于FRAM的高速、高保真汽車(chē)事故實(shí)時(shí)數據記錄儀的系統設計中，采用單片機作為系統的協(xié)議和處理中心。通過(guò)汽車(chē)的CAN數據總線(xiàn)，單片機產(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)數據，進(jìn)行處理后，通過(guò)I/O口或者專(zhuān)用接口輸入FRAM。系統的結構如圖5所示。

5．2 系統軟件設計

（1）系統初始化

汽車(chē)發(fā)動(dòng)時(shí)，系統上電，進(jìn)行系統初始化，初始化的主要任務(wù)是開(kāi)啟中斷功能。

（2）系統的數據采集

在分析事故發(fā)生原因和事故責任時(shí)，事故發(fā)生時(shí)的汽車(chē)實(shí)時(shí)數據是主要依據。國家標準規定，對于事故疑點(diǎn)數據，記錄儀應以不大于0.2s的時(shí)間間隔持續記錄速度值及制動(dòng)狀態(tài)信號，而對于其他非突發(fā)的參考數據可以減少其數據采集密度，因此系統設定突發(fā)信號和非突發(fā)信號的采樣次數比為50：1，這樣能有效減少數據量，提高有效數據采集密度，增加有效數據量。單片機從汽車(chē)CAN總線(xiàn)依次讀取速度、制動(dòng)、轉向燈等傳感器的值，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理，送入FRAM存儲。數據寬度均為8位，總線(xiàn)速度為1MHz，得到的突發(fā)信號平均記錄間隔小于20ms，遠遠超過(guò)國家標準0.2s的采樣時(shí)間間隔。64k byte的存儲量可以存儲長(cháng)達將近2min的數據量，超過(guò)國標的20s的數據記錄量。

（3）汽車(chē)事故發(fā)生的反應

汽車(chē)事故發(fā)生時(shí)，往往伴隨著(zhù)強烈的振動(dòng)，這個(gè)強烈的振動(dòng)信號由振動(dòng)傳感器拾取，產(chǎn)生中斷信號，中斷信號使單片機停止訪(fǎng)問(wèn)各個(gè)模塊傳感器，并向實(shí)時(shí)數據的末尾加寫(xiě)數據結束符“”，然后向FRAM狀態(tài)寄存器寫(xiě)入10001100，禁止對FRAM進(jìn)行任何寫(xiě)操作，所有這些操作無(wú)關(guān)100μs內完成。

（4）事故的數據保存

汽車(chē)事故發(fā)生后，若系統不掉電，則系統停止在中斷的空循環(huán)，不對存儲器進(jìn)行任何訪(fǎng)問(wèn)，FRAM由于中斷啟動(dòng)的數據保護機制有效，任何非系統數據寫(xiě)入都被FRAM拒絕；若系統掉電，FRAM的WP引腳也為低電平，禁止對FRAM的狀態(tài)寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作，而中斷程序使WPEN、BP0、BP1=1，因此外界對存儲器的任何非法操作都無(wú)法實(shí)現。

6 總結

汽車(chē)行駛記錄儀可以詳細記錄汽車(chē)事故發(fā)生前的行駛狀況，為汽車(chē)事故原因分析和責任評定提供了強有力的手段和證據，更好地保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全。采用FRAM作為汽車(chē)實(shí)時(shí)數據記錄儀的存儲器，能夠快速、高密度地記錄事故發(fā)生過(guò)程的汽車(chē)行駛狀況，減少由于汽車(chē)事故發(fā)生的惡劣環(huán)境對數據記錄的影響，準確地記錄并且長(cháng)時(shí)間地保存事故現場(chǎng)，延長(cháng)實(shí)時(shí)數據記錄儀的使用壽命，同時(shí)，采用FRAM可以簡(jiǎn)化系統，減低系統成本，提高系統的可靠性。將來(lái)，隨著(zhù)FRAM技術(shù)的發(fā)展，FRAM的存儲量還會(huì )大大增加，可以增加汽車(chē)狀態(tài)傳感器的數量和種類(lèi)，提高事故發(fā)生前的數據記錄密度，為事故分析和責任證定提供更全面、準確、細致的汽車(chē)行駛狀態(tài)記錄。