FRAM在行车记录仪中的应用

FRAM(铁电存储器)现已成功地运用于各种高可靠性应用，如工业控制系统、工业自动化系统、关键任务空间及高可靠性的军事应用中。经实践证明，FRAM是一种可信、可靠的非易失性内存技术，在大多数应用中使用的时间已超过20年。FRAM通过了AEC-Q100认证，具有高性能和高可靠性，适用于3级（-40℃ ~+85℃）和1级 （-40℃ ~ +125℃）汽车应用。高可靠性以及几乎无限次(100万亿)写周期，使其成为新一代汽车应用——高燃油效率、增强的安全特性、高端自动化及控制的最佳选择之一。

FRAM可在大多数汽车子系统中用于非易失性数据记录，如智能安全气囊、稳定控制、动力传动机构、仪表盘仪表、电池管理、发动机控制和娱乐信息节目应用，且能够承受更高级别的温度范围。本文探讨的是FRAM在汽车事故数据记录器(即行车记录仪)中的应用情况。

什么是EDR?

汽车事故数据记录器（即行车记录仪，以下简称EDR）在某种程度上类似于飞机和火车中的数据记录器。EDR也被称为汽车“黑匣子”或“碰撞记录器”，最初是用于获取和记录汽车单元内不同控制模块的数据，并利用获取的数据进行分析，以提高未来设计中安全气囊的性能。获取的数据包括碰撞严重程度，通过测量冲击力、车辆速度、引擎转速、转向输入、油门位置、制动状态、安全带状态、轮胎气压、警告信号及安全气囊展开的记录来获取。


图1:车祸范例

EDR记录的是车祸前、车祸中和车祸后几秒内的数据长度，旨在监控和获取有关车辆安全系统性能的数据。美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）指出，这些数据可以提供有关碰撞严重程度的宝贵信息，且可以用来判断车祸发生时汽车是否操作得当。EDR中存储的信息也可用于查找事故发生的主要原因，进而帮助汽车制造商改进和部署更先进的安全系统。此外，该数据也有助于政府机构和道路建设公司在公路施工期间采取适当的安全措施，从而将施工缺陷/过失降至最低，避免致命事故。

EDR是如何发挥作用的?

EDR需要具备以下几个关键特性：精度； 收集；存储；耐受性；可回收性。

当事故发生时，来自不同位置的多个传感器的诊断信息会发送到EDR，便于EDR内的控制器芯片进行数据解析和起动相应的控制行动。碰撞检测算法会根据传感器输入的数据确定是否打开安全气囊。碰撞传感使用的预测算法以各种冲击条件对应的校准值为基础。此预测算法通常必须在冲击发生后50毫秒内确定是否打开安全气囊。图2为典型的EDR框图。


图2:EDR典型框图

EDR模块能够连续监视传感器数据值，并将它们存储在一个通常创建在控制器RAM中的循环缓冲区内。图3为车辆中的EDR模块，图4为EDR模块的内部结构。


图3:车辆中的EDR模块


图4:EDR内部结构

EDR要求以粒度记录数据，这是因为事故重建通常需要每5~8毫秒捕获的数据样本，以呈现并还原事故现场。在从各个传感器采集到的数据被新的数据覆盖前，需要存储并保留在循环缓冲区内至少5到10秒。当安全气囊传感系统算法诊断冲击时，缓冲区刷新会暂停，安全气囊展开并启动。安全气囊展开时，司机安全带开关状态、乘客安全气囊开关状态、警告灯状态及展开时间会被临时捕获并存储在RAM内。用来确定是否展开安全气囊的关键参数值也捕捉到RAM中。执行算法后150ms，RAM中存储的数据会转移到非易失性内存。使用EEPROM时，需要大约700毫秒，以记录所有信息。

为防止重要数据丢失并确保数据安全地存储在EEPROM中，安全气囊控制模块必须确保备用电源可持续供应700 ms，以便完整地记录信息。未能提供要求的备用电源时，可能会从数据记录器或EDR中恢复不到任何数据。可能发生的一种情况就是电源在碰撞中发生灾难性损失。在此情况下，安全气囊控制模块备用电源（通常是电容器）会优先用于打开安全气囊，如果没有剩余电量给记录器，即使安全气囊成功展开，也不会有数据存储。

一旦安全气囊展开记录写入非易失性内存，就不能删除、修改或者由服务或事故调查人员清空。所有的存储数据可用适当的识别软件和接口硬件恢复。

为什么要在汽车中使用“FRAM”?

与EEPROM和FLASH非易失性内存相比，FRAM在EDR应用上有三大关键优势。首先，对于那些有精确时间要求的应用来说，FRAM会立即具备非易失性。这些应用在系统发生故障时，最重要的数据，如数据记录器通常会面临风险。其次， FRAM擦写周期为10E+14，而EEROM为10E+6，FLASH为10E+5，。因此，FRAM是数据记录器的理想选择，其数据可持续写入。最后，FRAM的读写操作功耗低，对于具有独立有限电源如电池或电容的应用来说，尤其具有高效性。

FRAM更能适应外界温度，这意味着工作温度升高时，其擦写周期和数据保留更能经受考验。许多EEPROM耐温为85°C，在耐温要求为125°C的汽车应用中，耐擦写能力会降到10E + 5，因此不适于汽车应用。

大多数现有的EDR解决方案是将连续数据记录到RAM缓冲区，只有在事故期间触发安全气囊展开算法时才转移到非易失性内存。因此，如果事故几乎致命，安全气囊没有打开，且电源缺失，碰撞数据将有可能不会保存到非易失性空间。这样，EDR就没有最后一刻的数据，将无法进行事故还原。由于FRAM可以存储最后一刻碰撞数据，且不需要任何外部电源，因而可以在这种情况下发挥关键作用。以下为FRAM在汽车应用方面的关键优势:

在SRAM中接近无限次的擦写周期：

FRAM可以用作SRAM数据缓冲区。运行期间，控制器能直接在FRAM中连续记录事故。FRAM是一种非易失性内存，掉电情况下也可保存数据。因此，即使主电源发生灾难性的破坏，最后一刻数据也不会丢失。由于数据直接写入FRAM，因此无需将最后一刻的数据从SRAM转移到非易失性空间，如EEPROM或Flash中。使用FRAM，无需备用电源，即可保存最后一刻的碰撞数据。


图5:Cypress的FRAM擦写周期与EEPROM和Flash的对比

无写延迟：

某些事故需要每秒钟记录1000次，以捕捉每一个细节，这对于现有的EEPROM和基于Flash的EDR而言是个很大的挑战。EEPROM通常是逐页存储数据，每两页之间需要几毫秒的存储时间延时，从而限制了数据记录功能。FRAM的“无延迟”写入功能，使系统设计师可以系统总线速度获得和写入实时数据。

快写和低功耗：

FRAM拥有高速串行SPI和I2C接口及高速并行同步访问，加之其一流的非易失性写入速度，使得控制器可以用较少的时间将数据写入FRAM。其功耗只是现有方案总功率的一小部分。


图6:Cypress的FRAM能耗与EEPROM和Flash的对比

高可靠性：

要实现精度、耐受性、可回收性及耐久性的目标，EDR的数据可靠性至关重要。由于此内存空间用来记录关键的传感器数据，因此汽车应用必须具备高可靠性和数据完整性。

结论

相比于其他市场，汽车市场更为关注技术成熟度。EEPROM和Flash技术易于理解，且已在主要供应商建立了质量控制基础设施。通常，面对新引入的技术，人们总是迟迟不愿采纳，技术人员必须在对其可靠性和可用性放心无忧后才愿意采取行动。目前，FRAM在汽车行业的销售数量已超过5亿台，技术已相当成熟，汽车行业的客户完全可以对此放心无忧。