Atendendo aos requisitos emergentes para registro de dados confiáveis ​​em sistemas automotivos

Os gravadores de dados de eventos (EDRs), muitas vezes chamados de caixas pretas, não são novos na eletrônica automotiva. Os EDRs registram dados em carros há quase 50 anos. Durante esse tempo, a eletrônica dentro dos carros evoluiu dramaticamente. E, com tantas pesquisas sobre a tecnologia de direção autônoma, ainda mais mudanças estão por vir.

Esses avanços na eletrônica automotiva aumentaram substancialmente os desafios associados ao registro de dados EDR. Portanto, é surpreendente que, em todos esses anos, o design básico do EDR não tenha mudado. A derrubada de um dos primeiros controladores de airbag da GM tem semelhanças substanciais com a arquitetura de registro de dados usada nos EDRs de hoje. Então, e agora, o EDR espera que um evento seja disparado antes de registrar os primeiros dados na memória não volátil. Essa abordagem da era de 1970 para registro de dados persistiu enquanto outros subsistemas dentro do veículo avançaram por muitas gerações.

Em parte, essa situação existe porque as memórias não foram consideradas centrais para o projeto de EDR. Como resultado, as limitações de EEPROM e Flash, por sua vez, limitaram as capacidades dos EDRs de hoje. Neste artigo, abordaremos essa percepção e exploraremos uma solução alternativa para avançar o registro de dados para que os EDRs possam atender aos requisitos de confiabilidade dos veículos de hoje e de amanhã.

O que está impulsionando as mudanças de design em EDRs?

Novos regulamentos na Europa e na China que obrigam o uso de EDRs na maioria das classes de veículos motorizados estão adicionando um novo enfoque ao design de EDR. Há um equívoco comum de que os EDRs são obrigatórios há muito tempo, mas isso não é verdade. Mesmo hoje, a América do Norte não exige o uso de EDRs. No entanto, o uso de EDRs foi amplamente adotado pelas montadoras e é quase onipresente na América do Norte. A Europa e a China estão dando um passo adiante ao tornar obrigatório o EDR em certas categorias de veículos. Nos veículos de hoje, as fontes de dados críticos estão aumentando e os regulamentos estão exigindo maiores quantidades de armazenamento de dados para uma melhor tomada de decisão.

Além dos regulamentos, há também uma necessidade genuína de acomodar parâmetros maiores em veículos autônomos. Por exemplo, em veículos parcialmente autônomos L2 + (de acordo com os níveis SAE de automação de direção), há mais maneiras de o sistema armazenar dados de sensor e imagem. Mas nenhum sistema pode fornecer o quadro completo de um evento crítico, especialmente um travamento. Portanto, é necessário que alguns dados do ADAS sejam armazenados em um EDR para estabelecer a sincronização entre o armazenamento do ADAS e o EDR ao analisar o evento.

Desafios no design existente

Vamos examinar o projeto EDR existente e entender os desafios na adoção de novos regulamentos. A Figura 1 mostra um controle de airbag típico e design EDR.

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Figura 1:Projeto EDR típico. (Fonte:Cypress Semiconductor)

O controlador EDR / Airbag monitora a mudança repentina na velocidade e aceleração do veículo para identificar o início de um evento. Assim que o evento é detectado, o EDR coleta dados sobre vários parâmetros de desempenho e segurança. Dependendo do tipo e gravidade do evento, o controlador EDR decide registrar o registro durante o curso do evento ou após o evento terminar. Geralmente, durante uma colisão, presume-se que a bateria principal está desligada e a energia para o controlador EDR é fornecida por um capacitor reserva. Conseqüentemente, o registro de dados seria alimentado pelos capacitores de backup.

Um mergulho mais profundo na arquitetura mostra que os EDRs atuais usam EEPROM ou memória não volátil flash de dados para armazenar dados. Uma vez que essas memórias usam gravações baseadas em páginas e têm baixa resistência de gravação (menos de 10 ⁶ ciclos de gravação), o controlador EDR reserva um buffer RAM equivalente ao tamanho de um registro EDR para armazenar os dados localmente. O buffer de RAM está localizado dentro do MCU com um tamanho que varia de 8 KB a 16 KB para armazenar dados em buffer temporariamente antes de serem gravados na memória não volátil. A amostragem normalmente terminaria 250ms após o evento ser disparado. Depois disso, o conteúdo do buffer de RAM é transferido para a memória não volátil. Devido às baixas velocidades de gravação de EEPROM e flash de dados, esse processo pode levar de algumas centenas de milissegundos a um segundo para armazenar 16 KB de dados. Todo o processo é mostrado na Figura 2.

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Figura 2:Um exemplo típico de registro de dados EDR com EEPROM / Flash de dados. (Fonte:Cypress Semiconductor)

Os capacitores de reserva devem ser projetados para fornecer energia suficiente para alimentar toda a transferência. Os capacitores também são usados ​​para alimentar o desdobramento do airbag. Obviamente, a principal tarefa do controlador EDR é acionar o airbag e proteger os ocupantes. Portanto, em uma situação em que não há energia de reserva suficiente, a implantação do airbag terá prioridade sobre o registro de dados na memória não volátil. Conseqüentemente, confiar na capacitância de backup para registrar os dados coloca os dados em risco. Na pior das hipóteses, capacitores de reserva podem saltar para fora da placa durante acidentes, arriscando toda a operação.

Outra consideração, para registro de dados, o uso de EEPROM e memória não volátil flash de dados adicionaria complexidade. Uma vez que a transferência de dados para a memória não volátil ocorre usando capacitores de backup que podem nem sempre ser estáveis, a integridade dos dados do processo de gravação deve ser garantida. A maneira mais fácil seria uma soma de verificação, mas isso aumenta o tempo e a complexidade do firmware.

Nova arquitetura com memória F-RAM

O uso de F-RAM como memória externa não volátil permitiria uma arquitetura de registro de dados totalmente diferente. Pode não ser óbvio no diagrama de blocos da Figura 3, já que o F-RAM apenas substituiria um componente da placa. Mas permite o desenvolvimento de uma arquitetura de firmware diferente, cujos benefícios podem ser facilmente vistos no nível do sistema.

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Figura 3:Projeto EDR com F-RAM. (Fonte:Cypress Semiconductor)

A tecnologia F-RAM fornece gravações de acesso aleatório rápidas combinadas com não-volatilidade instantânea e durabilidade virtualmente infinita. Isso elimina a necessidade de buffers de RAM no microcontrolador para manter temporariamente o registro EDR. O firmware EDR pode dividir a memória em F-RAMs em vários registros EDR. Um registro sempre estará trabalhando na memória, enquanto o resto está vazio ou bloqueado com dados de eventos. Os dados podem ser registrados na memória EDR de trabalho continuamente em um buffer contínuo.

Para entender a arquitetura do buffer contínuo, digamos que a memória EDR funcional pode conter dados por 10 segundos. Se não houver nenhum evento em 10 segundos, os dados na memória de trabalho serão substituídos por dados novos. Isso é possível por causa da resistência virtualmente infinita do F-RAM. Isso significa que durante os eventos, quando o controlador de EDR ainda está avaliando a gravidade do evento e tomando decisões se deve registrar os dados ou não, os dados já estão armazenados em F-RAM não volátil, conforme mostrado na Figura 4.

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Figura 4:Um exemplo típico de registro de dados EDR com F-RAM. (Fonte:Cypress Semiconductor)

No final do evento, a única decisão que o controlador EDR deve tomar é se mantém o registro ou sobrescreve o registro. Se o evento for grave o suficiente para manter o registro, o controlador de EDR bloqueará a memória de trabalho em um registro de evento de EDR e usará um novo buffer em F-RAM como memória de trabalho em antecipação ao próximo evento. O fluxo do firmware é mostrado na Figura 5.

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Figura 5:Um fluxo de firmware típico para registro de dados EDR com F-RAM. (Fonte:Cypress Semiconductor)

A outra vantagem é que o armazenamento de dados EDR é um evento separado que não depende de capacitores de backup. O sistema EDR pode trabalhar com capacitores menores, garantindo que a integridade dos dados não seja comprometida. A complexidade do firmware no microcontrolador para gerenciar memória e armazenamento também é reduzida. A Tabela 1 mostra uma comparação entre duas arquiteturas.

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Tabela 1:Comparação da arquitetura EDR baseada na memória não volátil em uso. (Fonte:Cypress Semiconductor)

Com regulamentações obrigatórias para implementar EDRs com demanda crescente por datalogs, a possibilidade de perda de dados deve ser eliminada do projeto e uma arquitetura mais segura e confiável para melhor integridade de dados deve ser adotada. A tecnologia F-RAM foi desenvolvida especificamente para aplicativos de missão crítica, como EDRs. As arquiteturas baseadas em F-RAM atenderão aos requisitos exigentes de EDRs de próxima geração construídos especificamente para as demandas automotivas mais avançadas.

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Harsha Medu é engenheiro sênior de aplicativos da Cypress Semiconductor. Ele trabalhou nos aspectos de design e aplicação de vários produtos de memória não volátil e definiu soluções de sistema com base em novos produtos. Ele possui um diploma de Bacharel em Engenharia em Eletrônica e Comunicação e um Mestrado em Administração de Empresas.

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