FRAM在行車(chē)記錄儀中的應用
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FRAM可在大多數汽車(chē)子系統中用于非易失性數據記錄，如智能安全氣囊、穩定控制、動(dòng)力傳動(dòng)機構、儀表盤(pán)儀表、電池管理、發(fā)動(dòng)機控制和娛樂(lè )信息節目應用，且能夠承受更高級別的溫度范圍。本文探討的是FRAM在汽車(chē)事故數據記錄器(即行車(chē)記錄儀)中的應用情況。
什么是EDR?
汽車(chē)事故數據記錄器（即行車(chē)記錄儀，以下簡(jiǎn)稱(chēng)EDR）在某種程度上類(lèi)似于飛機和火車(chē)中的數據記錄器。EDR也被稱(chēng)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)單元內不同控制模塊的數據，并利用獲取的數據進(jìn)行分析，以提高未來(lái)設計中安全氣囊的性能。獲取的數據包括碰撞嚴重程度，通過(guò)測量沖擊力、車(chē)輛速度、引擎轉速、轉向輸入、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)禍后幾秒內的數據長(cháng)度，旨在監控和獲取有關(guān)車(chē)輛安全系統性能的數據。美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）指出，這些數據可以提供有關(guān)碰撞嚴重程度的寶貴信息，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。EDR中存儲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。此外，該數據也有助于政府機構和道路建設公司在公路施工期間采取適當的安全措施，從而將施工缺陷/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；耐受性；可回收性。
當事故發(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內的控制器芯片進(jìn)行數據解析和起動(dòng)相應的控制行動(dòng)。碰撞檢測算法會(huì )根據傳感器輸入的數據確定是否打開(kāi)安全氣囊。碰撞傳感使用的預測算法以各種沖擊條件對應的校準值為基礎。此預測算法通常必須在沖擊發(fā)生后50毫秒內確定是否打開(kāi)安全氣囊。圖2為典型的EDR框圖。
圖2:EDR典型框圖
EDR模塊能夠連續監視傳感器數據值，并將它們存儲在一個(gè)通常創(chuàng )建在控制器RAM中的循環(huán)緩沖區內。圖3為車(chē)輛中的EDR模塊，圖4為EDR模塊的內部結構。
圖3:車(chē)輛中的EDR模塊
圖4:EDR內部結構
EDR要求以粒度記錄數據，這是因為事故重建通常需要每5~8毫秒捕獲的數據樣本，以呈現并還原事故現場(chǎng)。在從各個(gè)傳感器采集到的數據被新的數據覆蓋前，需要存儲并保留在循環(huán)緩沖區內至少5到10秒。當安全氣囊傳感系統算法診斷沖擊時(shí)，緩沖區刷新會(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)捕獲并存儲在RAM內。用來(lái)確定是否展開(kāi)安全氣囊的關(guān)鍵參數值也捕捉到RAM中。執行算法后150ms，RAM中存儲的數據會(huì )轉移到非易失性?xún)却?。使用EEPROM時(shí)，需要大約700毫秒，以記錄所有信息。
為防止重要數據丟失并確保數據安全地存儲在EEPROM中，安全氣囊控制模塊必須確保備用電源可持續供應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 )從數據記錄器或EDR中恢復不到任何數據?？赡馨l(fā)生的一種情況就是電源在碰撞中發(fā)生災難性損失。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 )有數據存儲。
一旦安全氣囊展開(kāi)記錄寫(xiě)入非易失性?xún)却?，就不能刪除、修改或者由服務(wù)或事故調查人員清空。所有的存儲數據可用適當的識別軟件和接口硬件恢復。
為什么要在汽車(chē)中使用“FRAM”?
與EEPROM和FLASH非易失性?xún)却嫦啾?，FRAM在EDR應用上有三大關(guān)鍵優(yōu)勢。首先，對于那些有精確時(shí)間要求的應用來(lái)說(shuō)，FRAM會(huì )立即具備非易失性。這些應用在系統發(fā)生故障時(shí)，最重要的數據，如數據記錄器通常會(huì )面臨風(fēng)險。其次， FRAM擦寫(xiě)周期為10E+14，而EEROM為10E+6，FLASH為10E+5，。因此，FRAM是數據記錄器的理想選擇，其數據可持續寫(xiě)入。最后，FRAM的讀寫(xiě)操作功耗低，對于具有獨立有限電源如電池或電容的應用來(lái)說(shuō)，尤其具有高效性。
FRAM更能適應外界溫度，這意味著(zhù)工作溫度升高時(shí)，其擦寫(xiě)周期和數據保留更能經(jīng)受考驗。許多EEPROM耐溫為85°C，在耐溫要求為125°C的汽車(chē)應用中，耐擦寫(xiě)能力會(huì )降到10E + 5，因此不適于汽車(chē)應用。
大多數現有的EDR解決方案是將連續數據記錄到RAM緩沖區，只有在事故期間觸發(fā)安全氣囊展開(kāi)算法時(shí)才轉移到非易失性?xún)却?。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，碰撞數據將有可能不會(huì )保存到非易失性空間。這樣，EDR就沒(méi)有最后一刻的數據，將無(wú)法進(jìn)行事故還原。由于FRAM可以存儲最后一刻碰撞數據，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)應用方面的關(guān)鍵優(yōu)勢:
在SRAM中接近無(wú)限次的擦寫(xiě)周期：
FRAM可以用作SRAM數據緩沖區。運行期間，控制器能直接在FRAM中連續記錄事故。FRAM是一種非易失性?xún)却?，掉電情況下也可保存數據。因此，即使主電源發(fā)生災難性的破壞，最后一刻數據也不會(huì )丟失。由于數據直接寫(xiě)入FRAM，因此無(wú)需將最后一刻的數據從SRAM轉移到非易失性空間，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據。
圖5:Cypress的FRAM擦寫(xiě)周期與EEPROM和Flash的對比
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)細節，這對于現有的EEPROM和基于Flash的EDR而言是個(gè)很大的挑戰。EEPROM通常是逐頁(yè)存儲數據，每?jì)身?yè)之間需要幾毫秒的存儲時(shí)間延時(shí)，從而限制了數據記錄功能。FRAM的“無(wú)延遲”寫(xiě)入功能，使系統設計師可以系統總線(xiàn)速度獲得和寫(xiě)入實(shí)時(shí)數據。
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(fǎng)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)間將數據寫(xiě)入FRAM。其功耗只是現有方案總功率的一小部分。
圖6:Cypress的FRAM能耗與EEPROM和Flash的對比
高可靠性：
要實(shí)現精度、耐受性、可回收性及耐久性的目標，EDR的數據可靠性至關(guān)重要。由于此內存空間用來(lái)記錄關(guān)鍵的傳感器數據，因此汽車(chē)應用必須具備高可靠性和數據完整性。
結論
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，且已在主要供應商建立了質(zhì)量控制基礎設施。通常，面對新引入的技術(shù)，人們總是遲遲不愿采納，技術(shù)人員必須在對其可靠性和可用性放心無(wú)憂(yōu)后才愿意采取行動(dòng)。目前，FRAM在汽車(chē)行業(yè)的銷(xiāo)售數量已超過(guò)5億臺，技術(shù)已相當成熟，汽車(chē)行業(yè)的客戶(hù)完全可以對此放心無(wú)憂(yōu)。
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