满足汽车系统中可靠数据记录的新兴要求

事件数据记录器 (EDR)，通常称为黑匣子，在汽车电子领域并不新鲜。 EDR 记录汽车数据已有近 50 年的历史。在此期间，汽车内的电子设备发生了巨大的变化。而且，随着对自动驾驶技术的大量研究，更多的变化即将到来。

汽车电子领域的这些进步大大增加了与 EDR 数据记录相关的挑战。因此，令人惊讶的是，这些年来，基本的 EDR 设计没有改变。早期 GM 安全气囊控制器的拆解与当今 EDR 中使用的数据记录架构大体相似。然后，现在 EDR 在将第一个数据记录到非易失性存储器之前等待事件触发。这种 1970 年代的数据记录方法一直存在，而车辆内的其他子系统已经发展了许多代。

之所以存在这种情况，部分原因是存储器并未被视为 EDR 设计的核心。因此，EEPROM 和闪存的局限性反过来又限制了当今 EDR 的功能。在本文中，我们将解决这种看法并探索一种替代解决方案来推进数据记录，以便 EDR 能够满足当今和未来车辆的可靠性要求。

是什么推动了 EDR 的设计变化？

欧洲和中国的新法规强制要求在大多数类型的机动车辆中使用 EDR，这为 EDR 设计增添了新的焦点。有一个普遍的误解，认为 EDR 长期以来一直是强制性的，但事实并非如此。即使在今天，北美也不强制要求使用 EDR。尽管如此，EDR 的使用已被汽车制造商广泛采用，并且在北美几乎无处不在。欧洲和中国更进一步，在某些类别的车辆中强制执行 EDR。在当今的车辆中，关键数据的来源越来越多，法规要求更大的数据存储量以更好地制定决策。

除了法规之外，还确实需要适应自动驾驶汽车中增加的参数。例如，在 L2+ 部分自动驾驶汽车（根据驾驶自动化的 SAE 级别）中，系统可以通过更多方式存储传感器和图像数据。但是没有一个系统可以提供关键事件的完整画面，尤其是崩溃。因此，当分析事件时，将来自 ADAS 的一些数据存储在 EDR 中以建立 ADAS 存储和 EDR 之间的同步变得势在必行。

现有设计的挑战

让我们检查现有的 EDR 设计并了解采用新法规的挑战。图 1 显示了典型的安全气囊控制和 EDR 设计。

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图 1：典型的 EDR 设计。 （来源：赛普拉斯半导体）

EDR/安全气囊控制器监控车辆速度和加速度的突然变化以识别事件的开始。一旦检测到事件，EDR 就会收集有关多个性能和安全参数的数据。根据事件的类型和严重性，EDR 控制器决定在事件过程中或事件结束后记录记录。通常，在发生碰撞时，假设主电池被切断，EDR 控制器的电源由备用电容器供电。因此，数据日志将由备用电容器供电。

对该架构的更深入研究表明，当前的 EDR 使用 EEPROM 或数据闪存非易失性存储器来存储数据。由于这些内存使用基于页的写入并且写入耐久性较低（小于 10 ⁶ 写周期），EDR 控制器保留一个相当于一个 EDR 记录大小的 RAM 缓冲区来存储本地数据。 RAM 缓冲区位于 MCU 内，大小介于 8KB 到 16KB 之间，用于在数据写入非易失性存储器之前临时缓冲数据。采样通常会在事件触发后 250 毫秒结束。之后，RAM 缓冲区的内容被传输到非易失性存储器。由于 EEPROM 和数据闪存的写入速度较慢，此过程可能需要数百毫秒到一秒的时间才能存储 16KB 的数据。整个过程如图2所示。

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图 2：带有 EEPROM / 数据闪存的典型 EDR 数据记录示例。 （来源：赛普拉斯半导体）

备用电容器的设计必须能够提供足够的能量来为整个传输供电。电容器还用于为安全气囊展开提供动力。当然，EDR控制器的主要工作是展开安全气囊，保护乘员。因此，在没有足够备用能源的情况下，安全气囊的部署将优先于将数据记录到非易失性存储器中。因此，依靠备份电容来记录数据会使数据处于危险之中。在最坏的情况下，通孔、备用电容器可能会在事故中从电路板上弹出，从而危及整个操作。

另一个考虑是，对于数据记录，使用 EEPROM 和数据闪存非易失性存储器会增加复杂性。由于向非易失性存储器的数据传输是使用可能并不总是稳定的后备电容器进行的，因此应保证写入过程的数据完整性。最简单的方法是校验和，但它增加了固件的时间和复杂性。

具有 F-RAM 内存的新架构

使用 F-RAM 作为外部非易失性存储器将允许完全不同的数据记录架构。从图 3 的框图中可能看不出来，因为 F-RAM 只是直接替换板上的一个组件。但它允许开发不同的固件架构，其好处在系统级别很容易看到。

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图 3：使用 F-RAM 的 EDR 设计。 （来源：赛普拉斯半导体）

F-RAM 技术提供快速随机存取写入，结合即时非易失性和几乎无限的耐用性。这消除了在微控制器中使用 RAM 缓冲区来临时保存 EDR 记录的需要。 EDR 固件可以将 F-RAM 中的内存划分为多个 EDR 记录。一条记录将始终是工作内存，而其余记录要么是空的，要么被事件数据锁定。数据可以在滚动缓冲区中连续记录到工作 EDR 内存中。

为了理解滚动缓冲区架构，假设工作 EDR 内存可以保存数据 10 秒。如果 10 秒内没有事件，工作内存中的数据将被新数据覆盖。这是可能的，因为 F-RAM 几乎无限耐用。这意味着在事件期间，当 EDR 控制器仍在评估事件的严重性并决定是否记录数据时，数据已经存储在非易失性 F-RAM 中，如图 4 所示。

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图 4：使用 F-RAM 的典型 EDR 数据记录示例。 （来源：赛普拉斯半导体）

在事件结束时，EDR 控制器必须做出的唯一决定是保留日志还是覆盖日志。如果事件严重到足以保留记录，则 EDR 控制器会将工作内存锁定到 EDR 事件记录中，并使用 F-RAM 中的新缓冲区作为工作内存，以期待下一个事件。固件流程如图5所示。

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图 5：使用 F-RAM 进行 EDR 数据记录的典型固件流程。 （来源：赛普拉斯半导体）

另一个优点是 EDR 数据存储是一个独立的事件，不依赖于备用电容器。 EDR 系统可以使用更小的电容器，同时保证数据完整性不受影响。微控制器中用于管理存储器和存储的固件复杂性也降低了。表1显示了两种架构之间的比较。

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表 1：基于使用中的非易失性存储器的 EDR 架构比较。 （来源：赛普拉斯半导体）

随着实施 EDR 的强制性法规对数据日志的需求不断增加，应该从设计中排除丢失数据的可能性，并且应该采用更安全、更可靠的架构以实现更好的数据完整性。 F-RAM 技术专为 EDR 等关键任务应用而开发。基于 F-RAM 的架构将满足专为最先进的汽车需求而构建的下一代 EDR 的苛刻要求。

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