基于铁电存储器的高速和高保真的汽车事故实时数据
摘要：汽车行驶状况的记录对分析、鉴定道路交通事故、提高交通管理执法水平和运输管理水平、保障车辆运行安全具有重要作用。采用铁电存储器（FRAM）作为汽车行驶实时数据存储设备，可以显著提高汽车行驶状况记录的速度和密度，减少汽车事故发生时恶劣环境对数据记录的影响，准确地记录并且长时间地保存故事发生过程数据，延长实时数据记录仪的使用寿命，为事故鉴定提供准确可靠的现场原始数据。
1 引言
我国汽车行驶记录仪国家标准GB/T19056-2003已经于2003年9月1日开始实施，对耐高/低温和湿热性、抗振动、抗冲击、外壳防护、静电放电抗扰度、辐射抗扰度等25项技术指标都进行了严格的规定。汽车行驶记录仪是能够对车辆行驶速度、时间、里程及有关车辆行驶的其他状态信息进行记录、存储并通过接口实现数据输出的数字式电子记录装置。由于记录仪能够实时地记录车辆运行和驾驶员驾驶活动的有关信息，因而可在遏制疲劳驾驶、车辆超速等严重交换违章、约束驾驶人员的不良驾驶行为、预防道路交通事故、保障车辆行驶安全、提高营运管理水平等诸多方面发挥重要的作用，并将为事故分析鉴定提供原始数据。汽车行驶记录仪提供的原始数据按时间先后分为二种：历史数据和实时数据。在事故发生后的事故分析时，历史数据只是作为事故分析的参考依据，而分析事故发生原因和事故责任的主要依据则是事故发生过程的汽车实时数据。但是，汽车事故发生的时间非常短暂，而且汽车事故发生后供电停止。那么，如何得到更多的实时数据和如何在恶劣环境下继续长时间保存所得数据成为汽车行驶记录仪的关键。
2 汽车行驶记录仪国家标准的要求
现在实施的GB/T19056-2003汽车行驶记录仪国家标准对事故疑点数据即汽车事故实时数据的记录提出了明确的要求：记录仪应以不大于0.2s的时间间隔持续记录并存储停车前20s实时时间对应的车辆行驶速度值及车辆制动状态信号，记录次数至少为10次。
国家标准的实施为汽车事故实时数据记录的存储器选择提出更高的要求。数据记录时间间隔不大于0.2s，数据记录时间段为事故发生前20s，要求存储器访问速度快，数据错误率低，可擦写次数多，数据保护措施好，数据在各种恶劣环境下的保存时间长，而且要求一定的存储容量，以达到国家标准的要求。
3 FRAM的性能和特征
美国Ramtron公司推出的铁电存储器（FRAM）采用一种全新的存储材料――铁电晶体材料，这一特殊材料使得铁电存储产品同时拥有随机存取记忆体（RAM）和非易失性存储产品的特性。产品的主要特点如下：
擦写次数多，至少达到100亿次；
速度快，没有写等待时间；
功耗低，读写电流为150μA，静态电流小于1μA；
在高噪声情况下，数据写入错误率低；
工作温度范围宽，-40℃～+85℃；
数据保护措施严密，数据难以丢失；
数据保护力强和保存时间长，在掉电情况下，数据可以保存10年以上。
汽车事故往往发生在瞬间，持续时间非常短暂，事故发生后汽车掉电，汽车事故发生往往伴随着剧烈的碰撞甚至爆炸，汽车事故发生后，汽车行驶记录仪仪可以短时难寻，而且事故发生时的每个数据对分析事故原因都极端重要，因而，FRAM的上述特点使其非常适用于汽车事故的实时数据记录。
4 FRAM的数据读写和保护措施
为了适应各类用户的使用习惯，Ramtron公司提供了三种通用的数据总线接口：I2C、SPI和并口，推出了一系列不同容量的FRAM。这里，以采用SPI接口的FM25640型为例，介绍FRAM的数据读写和数据保护。
4．1 FM2560简介
FM25640是Ramtron公司新推出的产品之一，采用工业标准串行外设接口SPI总线对存储器进行访问，总存储容量为64k byte，最大总线工作频率达5MHz。图1所示为FM25640的引脚排列。
SPI接口是一种通用同步串行接口总线，SPI接口利用SCK、SI和SO 3个引脚线进行数据的读/写，其中，SCK为时钟信号端，SI和SO为数据输入和输出端。SCK引脚的时钟信号必须由外部单片机或控制器输入，读/写命令字由SI引脚输入，数据由SO引脚输出。SPI接口共有4种操作模式，分别为0、1、2和3。SPI操作模式决定了设备接收和发送数据时的时钟相位和极性，即决定了时钟信号的上升沿和下降沿与数据流方向之间的关系，FM25640仅支持模式0和3。在这二种模式下，SCK信号的上升沿触发数据输入，下降沿触发数据输出。
4．2 FM25640的数据读写操作
FM25640是一种8位存储器，采用81928的阵列组织形式，用户访问时，只需指定13位访问地址，8位数据自动串行移位。FM25640从外界获得的数据按功能分为二种：指令（command）和数据（data）。不同的功能具有不同的写入格式和方法。
（1）FM25640的写指令
FM25640总共有6条指令，它们分别是写使能（WREN）、写禁止（WEDI）、读寄存器（RDSR）、写寄存器（WRSR）、读数据（READ）和写数据（WRITE），这些指令控制存储器需要完成的功能。图2所示为FM25640的写指令时序。
（2）FM25640的写数据
由于正常情况下FM25640都是处于写禁止状态，因此，在执行写操作之前，必须先写入写使能（WREN）指令，然后指定数据存储的13位起始地址，最后输入数据，FRAM的访问速度非常块，不需要写等待时间，所有数据均可以总线速度连续写入，数据写入完成后，片选端的上升沿使本次写使能失效，FRAM自动恢复写禁止状态。FM25640的写数据时序如图3所示。
图4和图5
在片选信号有效后，总线输入读数据（READ）信号，指定数据存储的13位起始地址后，SI端口被屏蔽，数据从SO端口输出，数据地址内部自动增加，每个时钟周期输出一位，每个字节的最大有效位（MSB）最先输出。片选端的上升沿使本次读使能失效。读数据的时序如图4所示。
4．3 FM25640的数据保护措施
FRAM采用了多种有效的数据保护措施，其具体措施如下：
片选信号无效时，所有输出引脚均为高阻态，并且忽略所有输入信号，避免外界噪声改写存储器；
设有写保护端口，这个端口有效时，禁止对状态寄存器进行写操作，由于每次读写数据前都必须向寄存器写入相应的指令，因此这个保护措施非常有效；
FRA写入快速度，在高噪声环境下，快速写入可以减少数据受噪声影响生产的错误率；
在写入过程中，首先写入最重要的数据――最大有效位（MSB）；
FRAM上电时，默认状态为写禁止，防止非法改变数据。在数据写入前，必须用写使能指令开启写入功能，写入完成后，FRAM自动恢复写禁止状态；
在状态寄存器中的WPEN、BP0、BP1都为1，并且WP引脚为低电平的情况下，所有数据写入都无效；
与其他存储器不同，既使经过多次擦写，FRAM也很少发生硬件读写错误；
FRAM采用和DRAM相似的读/重写机制，经过多次读出不会破坏原始数据。
有了上述数据保护措施，FRAM可以在恶劣的环境下正确记录且长时间地完整保存汽车事故发生现场的数据。
5 系统设计
5．1 系统硬件设计
在基于FRAM的高速、高保真汽车事故实时数据记录仪的系统设计中，采用单片机作为系统的协议和处理中心。通过汽车的CAN数据总线，单片机产生各个模块工作的时序，并接收各种传感器测量的实时数据，进行处理后，通过I/O口或者专用接口输入FRAM。系统的结构如图5所示。
5．2 系统软件设计
（1）系统初始化
汽车发动时，系统上电，进行系统初始化，初始化的主要任务是开启中断功能。
（2）系统的数据采集
在分析事故发生原因和事故责任时，事故发生时的汽车实时数据是主要依据。国家标准规定，对于事故疑点数据，记录仪应以不大于0.2s的时间间隔持续记录速度值及制动状态信号，而对于其他非突发的参考数据可以减少其数据采集密度，因此系统设定突发信号和非突发信号的采样次数比为50：1，这样能有效减少数据量，提高有效数据采集密度，增加有效数据量。单片机从汽车CAN总线依次读取速度、制动、转向灯等传感器的值，经过简单处理，送入FRAM存储。数据宽度均为8位，总线速度为1MHz，得到的突发信号平均记录间隔小于20ms，远远超过国家标准0.2s的采样时间间隔。64k byte的存储量可以存储长达将近2min的数据量，超过国标的20s的数据记录量。
（3）汽车事故发生的反应
汽车事故发生时，往往伴随着强烈的振动，这个强烈的振动信号由振动传感器拾取，产生中断信号，中断信号使单片机停止访问各个模块传感器，并向实时数据的末尾加写数据结束符“”，然后向FRAM状态寄存器写入10001100，禁止对FRAM进行任何写操作，所有这些操作无关100μs内完成。
（4）事故的数据保存
汽车事故发生后，若系统不掉电，则系统停止在中断的空循环，不对存储器进行任何访问，FRAM由于中断启动的数据保护机制有效，任何非系统数据写入都被FRAM拒绝；若系统掉电，FRAM的WP引脚也为低电平，禁止对FRAM的状态寄存器进行写操作，而中断程序使WPEN、BP0、BP1=1，因此外界对存储器的任何非法操作都无法实现。
6 总结
汽车行驶记录仪可以详细记录汽车事故发生前的行驶状况，为汽车事故原因分析和责任评定提供了强有力的手段和证据，更好地保障人民群众的生命财产安全。采用FRAM作为汽车实时数据记录仪的存储器，能够快速、高密度地记录事故发生过程的汽车行驶状况，减少由于汽车事故发生的恶劣环境对数据记录的影响，准确地记录并且长时间地保存事故现场，延长实时数据记录仪的使用寿命，同时，采用FRAM可以简化系统，减低系统成本，提高系统的可靠性。将来，随着FRAM技术的发展，FRAM的存储量还会大大增加，可以增加汽车状态传感器的数量和种类，提高事故发生前的数据记录密度，为事故分析和责任证定提供更全面、准确、细致的汽车行驶状态记录。
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