利用F-RAM?打造汽車(chē)安全氣囊應用

未來(lái)幾年，汽車(chē)的安全系統將會(huì )變得更加復雜。本文將探討在這些系統中使用F-RAM非易失性存儲技術(shù)的主要技術(shù)優(yōu)勢。鐵電RAM（F-RAM）存儲器被用在一系列廣泛的應用中，其中包括工業(yè)控制系統、工業(yè)自動(dòng)化、任務(wù)關(guān)鍵型應用和汽車(chē)系統等。未來(lái)幾年，汽車(chē)的安全系統將會(huì )變得更加復雜。推動(dòng)該趨勢的一個(gè)主要動(dòng)力是預期的監管措施，它們將對汽車(chē)安全氣囊和穩定控制系統的配售率和成熟度產(chǎn)生影響。

本文探討在這些系統中使用F-RAM非易失性存儲技術(shù)的主要技術(shù)優(yōu)勢。

“安全氣囊系統”正在發(fā)生兩大變化。首先，所有新型安全氣囊都配有一個(gè)智能傳感器，用于檢測車(chē)內是否有乘客。安全氣囊的每一次誤彈出都會(huì )導致極高的更換成本以及相應的維護、人工和部件成本。能夠持續監測乘客的重量和存在的智能傳感器能夠為安全氣囊的運行增加一個(gè)“可變性”，從而既能避免安全氣囊誤觸發(fā)對乘客造成傷害，也能在嚴重碰撞時(shí)為乘客提供保護。

其次，“安全氣囊系統”在事故發(fā)生之前將“實(shí)際信息或數據”采集到行車(chē)記錄儀（EDR）里。這對于今后的訴訟或保險索賠有很大的價(jià)值。EDR功能通常內置于安全氣囊電子控制單元（ECU）中。這是一種自然組合，因為EDR并不需要像飛機黑匣子那么高的耐受性要求，而且安全氣囊控制器是接收各類(lèi)重要傳感器輸入的主要器件，此外，汽車(chē)上沒(méi)有安裝獨立EDR的空間。

這兩個(gè)要求導致我們需要一個(gè)可讀寫(xiě)次數極高、存取速度較快的非易失性存儲器。對于“智能”安全氣囊而言，設計人員希望部署碰撞時(shí)彈力可變的安全氣囊。對存儲的要求是：頻繁記錄座位位置以及乘客的重量和存在/實(shí)際位置。在維護歷史方面，存儲器有足夠的空間來(lái)存儲最后15–20秒的信息。由于一輛普通汽車(chē)通常能夠運行30多年，這個(gè)存儲器應具備較快的寫(xiě)速度、即時(shí)非易失性和極高的可讀寫(xiě)次數。

F-RAM是一種非常適合這些要求的存儲器技術(shù)。與其它技術(shù)一樣，它也提供非易失性存儲功能。F-RAM的主要優(yōu)勢是極高的可寫(xiě)次數和寫(xiě)速度。有了F-RAM，系統將能以全總線(xiàn)速度持續存儲數據，而且無(wú)需額外的存儲器、開(kāi)銷(xiāo)或損耗均衡等技術(shù)來(lái)管理存儲器的可讀寫(xiě)次數。這是因為F-RAM具備即時(shí)非易失性特點(diǎn)，無(wú)需額外準備時(shí)間 即可存儲信息。其可寫(xiě)次數高達1014量級。與此相比，大多數EEPROM和閃存的可惜次數還不足 106。

安全氣囊設計

鑒于安全性和極高的更換成本，汽車(chē)制造商增添了各類(lèi)用于記錄乘客位置的傳感器，其中包括用于啟動(dòng)安全氣囊子系統的乘客壓力傳感器，和一系列用于提升安全氣囊系統有效性的位置傳感器。位置數據需要頻繁更新，而且必須存儲到點(diǎn)，甚至是系統部署時(shí)刻。將位置數據持續記錄和存儲到一個(gè)非易失性存儲器之中的要求使得高性能、低功耗、高讀寫(xiě)次數的F-RAM成為一個(gè)理想選擇。

相比浮柵技術(shù)的優(yōu)勢

隨著(zhù)汽車(chē)設計要求的復雜性不斷增高，浮柵技術(shù)的局限性變得日益明顯。例如，浮柵存儲的編程過(guò)程需要數微秒，這對于安全關(guān)鍵型應用而言是一段很長(cháng)的時(shí)間。如果碰撞時(shí)突然發(fā)生停電，那么只有很少的信息能夠存儲在浮柵存儲器中。

編程過(guò)程也會(huì )損壞絕緣層，因此，這類(lèi)存儲器的可寫(xiě)次數很有限，僅為100,000到1,000,000次。例如在客載傳感器中，數據更新量遠遠高于這個(gè)極限。假設典型的要求是數據每一秒更新一次，浮柵存儲器不到12天就會(huì )損耗殆盡。斷電時(shí)將數據緩存到RAM中并寫(xiě)入浮柵存儲器，就會(huì )給EDR帶來(lái)數據速度問(wèn)題，因此不可行。

在智能安全氣囊系統中，不僅需要在碰撞時(shí)存儲數據，而且最好能夠存儲事故發(fā)生前的數據。理想的解決方案是使用一個(gè)滾動(dòng)日志存儲碰撞前數據，但實(shí)踐證明這種方法不適用于浮柵存儲器，因為它們的可寫(xiě)次數有限。由于安全氣囊模塊配有大電容器，而它們存儲有充足的電能來(lái)啟動(dòng)安全氣囊的電能，因此，碰撞發(fā)生后可能仍有殘余電能足夠支持從緩沖器寫(xiě)入數據。但其所能寫(xiě)入的數據量和存儲寫(xiě)入速度取決于可用的電量。一個(gè)典型的2K字節的浮柵存儲器每5ms約可寫(xiě)入4字節，因此，寫(xiě)滿(mǎn)整個(gè)浮柵存儲器可能需要一秒以上時(shí)間。

賽普拉斯F-RAM的可寫(xiě)次數 Vs EEPROM和閃存的可寫(xiě)次數

由于擁有極高的可寫(xiě)次數，F-RAM可被用作數據緩沖器。MCU可在運行時(shí)將事件持續直接寫(xiě)入 F-RAM。由于F-RAM是一種固有的非易失性存儲器，它可以在斷電后保存數據。因此，即使主電源被切斷，最后一刻的數據也不會(huì )遭到損壞。由于數據是被直接寫(xiě)入F-RAM的，因此不需要將最后一刻的數據從SRAM傳送到EEPROM或閃存等非易失性存儲空間。F-RAM不需要系統備用電源來(lái)保留最后一刻的碰撞數據。

無(wú)寫(xiě)時(shí)延

為了捕獲全部細節，一些事件需要每秒被記錄100到 1000次。這給現有基于EEPROM或閃存的記錄器帶來(lái)了挑戰。EEPROM采用逐頁(yè)方式存儲數據，在將兩頁(yè)寫(xiě)入EEPROM之間需要數微秒的存儲時(shí)延，從而限制了數據記錄能力。“無(wú)延時(shí)”寫(xiě)入F-RAM可讓系統設計人員以系統總線(xiàn)速度捕獲和寫(xiě)入實(shí)時(shí)數據。

快速寫(xiě)入和低功耗

憑借同類(lèi)最佳的非易失性寫(xiě)速度，F-RAM中的高速串行SPI及I2C接口和/或高速并行存取讓控制器能夠將數據更快地寫(xiě)入F-RAM。此外，低功耗F-RAM 只需其它非易失性存儲技術(shù)所需總功耗的很小一部分。

高可靠性

EDR的數據可靠性對于實(shí)現準確性、耐受性、數據檢索以及關(guān)鍵的耐用性目標來(lái)說(shuō)非常重要。由于這種存儲空間被用于存儲重要的傳感器數據，高可靠性和數據完整性對于汽車(chē)應用而言是不可或缺的。

成熟度

與其它類(lèi)型的應用相比，汽車(chē)市場(chǎng)更加關(guān)注技術(shù)成熟度。EEPROM和閃存技術(shù)已為人熟知，主要供應商都擁有成熟的質(zhì)量控制體系。因為技術(shù)界對一項技術(shù)的可靠性和可用性必須了如指掌，引入新技術(shù)自然會(huì )讓人猶豫不決。F-RAM在汽車(chē)環(huán)境（包括達到125°C極端溫度的引擎蓋內應用）中出貨量已經(jīng)達到5億多件，可以說(shuō)其已經(jīng)成熟到了足以讓汽車(chē)客戶(hù)高枕無(wú)憂(yōu)的程度。

與閃存、EEPROM、電池供電型SRAM和其它類(lèi)似技術(shù)相比，F-RAM可降低系統成本，提升系統效率，降低復雜性，并大幅降低功耗。