Удовлетворение возникающих требований к надежной регистрации данных в автомобильных системах

Регистраторы данных о событиях (EDR), часто называемые черными ящиками, не новость в автомобильной электронике. EDR записывают данные в автомобилях почти 50 лет. За это время электроника внутри автомобилей претерпела значительные изменения. А с учетом стольких исследований в области технологий автономного вождения, впереди еще больше изменений.

Эти достижения в области автомобильной электроники существенно увеличили проблемы, связанные с регистрацией данных EDR. Поэтому удивительно, что за все эти годы базовая конструкция EDR не изменилась. Разборка раннего контроллера подушек безопасности GM в значительной степени похожа на архитектуру регистрации данных, используемую в сегодняшних EDR. Тогда и сейчас EDR ожидает запуска события, прежде чем записывать первые данные в энергонезависимую память. Этот подход 1970-х годов к регистрации данных сохранился, в то время как другие подсистемы в автомобиле развивались на протяжении многих поколений.

Частично такая ситуация существует из-за того, что память не считалась центральным элементом дизайна EDR. В результате ограничения EEPROM и Flash, в свою очередь, ограничили возможности сегодняшних EDR. В этой статье мы рассмотрим это восприятие и рассмотрим альтернативное решение для усовершенствования регистрации данных, чтобы EDR соответствовали требованиям надежности автомобилей сегодня и завтра.

Что является движущей силой изменения конструкции EDR?

Новые правила в Европе и Китае, обязывающие использовать EDR в большинстве классов автомобилей, придают новый смысл дизайну EDR. Существует распространенное заблуждение, что EDR долгое время были обязательными, но это не так. Даже сегодня Северная Америка не требует обязательного использования EDR. Тем не менее, использование EDR широко используется автопроизводителями и почти повсеместно в Северной Америке. Европа и Китай идут еще дальше, вводя EDR для определенных категорий транспортных средств. В современных автомобилях источники критически важных данных увеличиваются, а правила требуют хранения больших объемов данных для более эффективного принятия решений.

Помимо нормативных требований, существует также реальная потребность в увеличении параметров автономных транспортных средств. Например, в частично автономных транспортных средствах уровня L2 + (в соответствии с уровнями автоматизации вождения SAE) существует больше способов, которыми система может хранить данные датчиков и изображений. Но ни одна система не может предоставить полную картину критического события, особенно аварии. Таким образом, становится необходимым, чтобы некоторые данные из ADAS хранились в EDR, чтобы установить синхронизацию между хранилищем ADAS и EDR при анализе события.

Проблемы в существующем дизайне

Давайте изучим существующую схему EDR и поймем проблемы, связанные с принятием новых правил. На рис. 1 показан типичный блок управления подушкой безопасности и конструкция EDR.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 1. Типовая схема EDR. (Источник:Cypress Semiconductor)

Контроллер EDR / Airbag отслеживает внезапное изменение скорости и ускорения автомобиля, чтобы определить начало события. После обнаружения события EDR собирает данные о нескольких параметрах производительности и безопасности. В зависимости от типа и серьезности события контроллер EDR решает регистрировать запись во время события или после его завершения. Обычно предполагается, что во время аварии основная батарея отключена, а питание на контроллер EDR подается от резервного конденсатора. Следовательно, журнал данных будет питаться от резервных конденсаторов.

Более глубокое погружение в архитектуру показывает, что текущие EDR используют для хранения данных либо EEPROM, либо флеш-память. Поскольку эти воспоминания используют постраничную запись и имеют низкую выносливость записи (менее 10 ⁶ циклов записи), контроллер EDR резервирует буфер RAM, эквивалентный размеру одной записи EDR, для локального хранения данных. Буфер RAM расположен внутри MCU и имеет размер от 8 до 16 КБ для временной буферизации данных перед их записью в энергонезависимую память. Выборка обычно заканчивается через 250 мсек после запуска события. После этого содержимое буфера RAM переносится в энергонезависимую память. Из-за низкой скорости записи EEPROM и флэш-памяти этот процесс может занять от нескольких сотен миллисекунд до секунды для хранения 16 КБ данных. Весь процесс показан на рисунке 2.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рисунок 2:Типичный пример регистрации данных EDR с EEPROM / Data Flash. (Источник:Cypress Semiconductor)

Резервные конденсаторы должны быть спроектированы так, чтобы обеспечивать достаточно энергии для питания всей передачи. Конденсаторы также используются для срабатывания подушки безопасности. Конечно, основная задача контроллера EDR - раскрыть подушку безопасности и защитить пассажиров. Следовательно, в ситуации, когда не хватает резервной энергии, развертывание подушки безопасности будет иметь приоритет над записью данных в энергонезависимую память. Следовательно, использование резервной емкости для регистрации данных подвергает данные риску. В худшем случае сквозные резервные конденсаторы могут выскочить из платы во время аварии, что поставит под угрозу всю операцию.

Еще одно соображение, для регистрации данных, использование EEPROM и энергонезависимой флэш-памяти данных может добавить сложности. Поскольку передача данных в энергонезависимую память происходит с использованием резервных конденсаторов, которые не всегда могут быть стабильными, следует гарантировать целостность данных в процессе записи. Самый простой способ - это контрольная сумма, но это увеличивает время и сложность прошивки.

Новая архитектура с памятью F-RAM

Использование F-RAM в качестве внешней энергонезависимой памяти позволило бы использовать совершенно другую архитектуру регистрации данных. Это может быть неочевидно из блок-схемы на Рисунке 3, поскольку F-RAM просто вставит замену компонента на плате. Но он позволяет разрабатывать другую архитектуру прошивки, преимущества которой можно легко увидеть на системном уровне.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рисунок 3:Дизайн EDR с F-RAM. (Источник:Cypress Semiconductor)

Технология F-RAM обеспечивает быструю запись с произвольным доступом в сочетании с мгновенной энергонезависимостью и практически бесконечным сроком службы. Это устраняет необходимость в буферах RAM в микроконтроллере для временного хранения записи EDR. Прошивка EDR может разделить память в F-RAM на несколько записей EDR. Одна запись всегда будет рабочей памятью, а остальные либо пусты, либо заблокированы данными событий. Данные могут регистрироваться в рабочей памяти EDR непрерывно в скользящем буфере.

Чтобы понять архитектуру скользящего буфера, предположим, что рабочая память EDR может хранить данные в течение 10 секунд. Если в течение 10 секунд не произойдет никаких событий, данные в рабочей памяти будут перезаписаны новыми данными. Это возможно благодаря практически безграничной выносливости F-RAM. Это означает, что во время событий, когда контроллер EDR все еще оценивает серьезность события и принимает решения, регистрировать данные или нет, данные уже сохраняются в энергонезависимой F-RAM, как показано на рисунке 4.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рисунок 4:Типичный пример регистрации данных EDR с F-RAM. (Источник:Cypress Semiconductor)

В конце события единственное решение, которое должен принять контроллер EDR, - это сохранить журнал или перезаписать его. Если событие достаточно серьезное, чтобы сохранить запись, контроллер EDR блокирует рабочую память в записи события EDR и использует новый буфер в F-RAM в качестве рабочей памяти в ожидании следующего события. Последовательность прошивки показана на рисунке 5.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рисунок 5:Типичная последовательность действий прошивки для регистрации данных EDR с F-RAM. (Источник:Cypress Semiconductor)

Другое преимущество состоит в том, что хранение данных EDR - это отдельное событие, которое не зависит от резервных конденсаторов. Система EDR может работать с меньшими конденсаторами, при этом не нарушается целостность данных. Также снижается сложность прошивки микроконтроллера для управления памятью и хранилищем. В таблице 1 показано сравнение двух архитектур.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Таблица 1:Сравнение архитектуры EDR на основе используемой энергонезависимой памяти. (Источник:Cypress Semiconductor)

В связи с обязательными правилами реализации EDR с растущим спросом на журналы данных, возможность потери данных должна быть исключена из конструкции и должна быть принята более безопасная и надежная архитектура для лучшей целостности данных. Технология F-RAM была разработана специально для критически важных приложений, таких как EDR. Архитектуры на основе F-RAM будут соответствовать строгим требованиям EDR следующего поколения, специально созданных для самых передовых автомобильных требований.

---

Харша Меду является старшим инженером по приложениям в Cypress Semiconductor. Он работал над аспектами проектирования и применения различных продуктов энергонезависимой памяти и определял системные решения на основе новых продуктов. Он имеет степень бакалавра технических наук в области электроники и связи и степень магистра делового администрирования.

---

Связанное содержание:

• Оптимизация энергонезависимой регистрации данных для узлов датчиков IoT, собирающих энергию.
• Меняющееся лицо автомобильного программного обеспечения
• Повышение надежности энергонезависимой памяти.
• NOR flash находит все большее значение в автомобильном дизайне.
• Как автомобильный стандарт SerDes поможет инновациям.
• Amazon глубоко вникает в автомобильную промышленность.
• Как интеллектуальное хранилище повышает надежность автономных транспортных средств.

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.