Erfüllen neuer Anforderungen für eine zuverlässige Datenprotokollierung in Automobilsystemen

Event Data Recorder (EDRs), oft auch als Blackbox bezeichnet, sind in der Automobilelektronik nicht neu. EDRs erfassen seit fast 50 Jahren Daten in Autos. In dieser Zeit hat sich die Elektronik in Autos dramatisch weiterentwickelt. Und mit so viel Forschung an selbstfahrenden Technologien werden noch mehr Veränderungen kommen.

Diese Fortschritte in der Automobilelektronik haben die Herausforderungen im Zusammenhang mit der EDR-Datenprotokollierung erheblich erhöht. Es ist daher überraschend, dass sich in all den Jahren das grundlegende EDR-Design nicht geändert hat. Ein Abriss eines frühen GM-Airbag-Controllers hat im Wesentlichen Ähnlichkeit mit der Datenprotokollierungsarchitektur, die in heutigen EDRs verwendet wird. Damals wie heute wartet der EDR auf das Auslösen eines Ereignisses, bevor er die ersten Daten in den nichtflüchtigen Speicher protokolliert. Dieser Ansatz der Datenprotokollierung aus den 1970er Jahren hat sich fortgesetzt, während andere Subsysteme im Fahrzeug über viele Generationen hinweg weiterentwickelt wurden.

Zum Teil besteht diese Situation, weil Speicher nicht als zentral für das EDR-Design angesehen wurden. Infolgedessen haben die Einschränkungen von EEPROM und Flash wiederum die Fähigkeiten der heutigen EDRs eingeschränkt. In diesem Artikel werden wir diese Wahrnehmung ansprechen und eine alternative Lösung zur Verbesserung der Datenprotokollierung untersuchen, damit EDRs die Zuverlässigkeitsanforderungen von Fahrzeugen heute und morgen erfüllen können.

Was treibt Designänderungen bei EDRs an?

Neue Vorschriften in Europa und China, die die Verwendung von EDRs in den meisten Kraftfahrzeugklassen vorschreiben, fügen dem EDR-Design einen neuen Schwerpunkt hinzu. Es gibt ein weit verbreitetes Missverständnis, dass EDRs seit langem obligatorisch sind, aber das ist nicht wahr. Auch heute schreibt Nordamerika die Verwendung von EDRs nicht vor. Nichtsdestotrotz wurde die Verwendung von EDRs von Autoherstellern weit verbreitet und ist in Nordamerika fast allgegenwärtig. Europa und China gehen noch einen Schritt weiter, indem sie die EDR in bestimmten Fahrzeugkategorien vorschreiben. In den heutigen Fahrzeugen nehmen die Quellen kritischer Daten zu und die Vorschriften erfordern größere Mengen an Datenspeicher für eine bessere Entscheidungsfindung.

Abgesehen von Vorschriften besteht auch ein echter Bedarf an erhöhten Parametern in autonomen Fahrzeugen. In teilautonomen L2+-Fahrzeugen (entsprechend den SAE-Stufen der Fahrautomatisierung) gibt es beispielsweise mehr Möglichkeiten, Sensor- und Bilddaten zu speichern. Aber kein einzelnes System kann ein vollständiges Bild eines kritischen Ereignisses liefern, insbesondere eines Crashs. Daher ist es zwingend erforderlich, dass einige Daten von ADAS in einem EDR gespeichert werden, um die Synchronisation zwischen dem ADAS-Speicher und dem EDR bei der Analyse des Ereignisses herzustellen.

Herausforderungen im bestehenden Design

Lassen Sie uns das bestehende EDR-Design untersuchen und die Herausforderungen bei der Verabschiedung neuer Vorschriften verstehen. Abbildung 1 zeigt ein typisches Airbag-Steuerungs- und EDR-Design.

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Abbildung 1:Typisches EDR-Design. (Quelle:Cypress Semiconductor)

Der EDR/Airbag-Controller überwacht die plötzliche Änderung der Fahrzeuggeschwindigkeit und -beschleunigung, um den Beginn eines Ereignisses zu erkennen. Sobald das Ereignis erkannt wird, sammelt der EDR Daten zu mehreren Leistungs- und Sicherheitsparametern. Je nach Art und Schwere des Ereignisses entscheidet der EDR-Controller, die Aufzeichnung während des Ereignisses oder nach Beendigung des Ereignisses zu protokollieren. Im Allgemeinen wird während eines Unfalls angenommen, dass die Hauptbatterie abgeschaltet ist und der EDR-Controller durch einen Pufferkondensator mit Strom versorgt wird. Daher würde das Datenprotokoll von den Backup-Kondensatoren gespeist.

Ein tieferer Einblick in die Architektur zeigt, dass aktuelle EDRs entweder EEPROM oder nichtflüchtigen Daten-Flash-Speicher zum Speichern von Daten verwenden. Da diese Speicher seitenbasierte Schreibvorgänge verwenden und eine geringe Schreibdauer aufweisen (weniger als 10 ⁶ Schreibzyklen) reserviert der EDR-Controller einen RAM-Puffer, der der Größe eines EDR-Datensatzes entspricht, um die Daten lokal zu speichern. Der RAM-Puffer befindet sich innerhalb der MCU mit einer Größe zwischen 8 KB und 16 KB, um Daten vorübergehend zu puffern, bevor sie in den nichtflüchtigen Speicher geschrieben werden. Die Abtastung würde normalerweise 250 ms nach Auslösen des Ereignisses enden. Danach wird der Inhalt des RAM-Puffers in den nichtflüchtigen Speicher übertragen. Aufgrund der langsamen Schreibgeschwindigkeiten von EEPROM und Daten-Flash kann dieser Vorgang einige Hundert Millisekunden bis zu einer Sekunde dauern, um 16 KB Daten zu speichern. Der gesamte Vorgang ist in Abbildung 2 dargestellt.

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Abbildung 2:Ein typisches EDR Data Logging Beispiel mit EEPROM / Data Flash. (Quelle:Cypress Semiconductor)

Die Pufferkondensatoren müssen so ausgelegt sein, dass sie genügend Energie liefern, um die gesamte Übertragung zu betreiben. Die Kondensatoren werden auch verwendet, um die Airbag-Auslösung mit Strom zu versorgen. Die Hauptaufgabe des EDR-Controllers besteht natürlich darin, den Airbag auszulösen und die Insassen zu schützen. Daher wird in einer Situation, in der nicht genügend Reserveenergie vorhanden ist, die Auslösung des Airbags Vorrang vor dem Aufzeichnen von Daten in den nichtflüchtigen Speicher eingeräumt. Daher gefährdet die Verwendung von Backup-Kapazität zum Protokollieren von Daten die Daten. Im schlimmsten Fall können Pufferkondensatoren durch das Loch bei Unfällen aus der Platine springen und den gesamten Betrieb gefährden.

Eine weitere Überlegung für die Datenprotokollierung würde die Verwendung von EEPROM und nichtflüchtigem Daten-Flash-Speicher die Komplexität erhöhen. Da die Datenübertragung in den nichtflüchtigen Speicher über nicht immer stabile Stützkondensatoren erfolgt, sollte die Datenintegrität des Schreibvorgangs gewährleistet sein. Der einfachste Weg wäre eine Prüfsumme, aber sie erhöht die Zeit und Komplexität der Firmware.

Neue Architektur mit F-RAM-Speicher

Die Verwendung von F-RAM als externer nichtflüchtiger Speicher würde eine völlig andere Datenprotokollierungsarchitektur ermöglichen. Aus dem Blockdiagramm in Abbildung 3 ist dies möglicherweise nicht ersichtlich, da F-RAM einfach eine Komponente auf der Platine ersetzen würde. Aber es ermöglicht die Entwicklung einer anderen Firmware-Architektur, deren Vorteile auf Systemebene leicht zu erkennen sind.

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Abbildung 3:EDR-Design mit F-RAM. (Quelle:Cypress Semiconductor)

Die F-RAM-Technologie bietet schnelle Schreibvorgänge mit wahlfreiem Zugriff kombiniert mit sofortiger Nichtflüchtigkeit und praktisch unbegrenzter Lebensdauer. Dadurch werden RAM-Puffer im Mikrocontroller überflüssig, um den EDR-Datensatz vorübergehend zu halten. Die EDR-Firmware kann den Speicher in F-RAMs in mehrere EDR-Datensätze aufteilen. Ein Datensatz ist immer im Arbeitsspeicher, während der Rest entweder leer oder mit Ereignisdaten gesperrt ist. Daten können kontinuierlich in einem rollierenden Puffer in den Arbeitsspeicher des EDR protokolliert werden.

Um die Rolling-Buffer-Architektur zu verstehen, nehmen wir an, der Arbeitsspeicher des EDR kann 10 Sekunden lang Daten speichern. Tritt innerhalb von 10 Sekunden kein Ereignis ein, werden die Daten im Arbeitsspeicher mit neuen Daten überschrieben. Dies ist aufgrund der praktisch unendlichen Ausdauer von F-RAM möglich. Dies bedeutet, dass während Ereignissen, wenn der EDR-Controller noch die Schwere des Ereignisses bewertet und Entscheidungen trifft, ob die Daten protokolliert werden sollen oder nicht, die Daten bereits im nichtflüchtigen F-RAM gespeichert sind, wie in Abbildung 4 gezeigt.

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Abbildung 4:Ein typisches Beispiel für die EDR-Datenprotokollierung mit F-RAM. (Quelle:Cypress Semiconductor)

Am Ende des Ereignisses muss der EDR-Controller nur entscheiden, ob er das Protokoll behält oder das Protokoll überschreibt. Wenn das Ereignis schwerwiegend genug ist, um den Datensatz zu behalten, würde der EDR-Controller den Arbeitsspeicher in einen EDR-Ereignisdatensatz sperren und in Erwartung des nächsten Ereignisses einen neuen Puffer im F-RAM als Arbeitsspeicher verwenden. Der Firmware-Ablauf ist in Abbildung 5 dargestellt.

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Abbildung 5:Ein typischer Firmware-Flow für die EDR-Datenprotokollierung mit F-RAM. (Quelle:Cypress Semiconductor)

Der andere Vorteil besteht darin, dass die EDR-Datenspeicherung ein separates Ereignis ist, das nicht auf Pufferkondensatoren angewiesen ist. Das EDR-System kann mit kleineren Kondensatoren arbeiten, während die Datenintegrität nicht beeinträchtigt wird. Die Firmware-Komplexität im Mikrocontroller zur Verwaltung von Speicher und Speicher wird ebenfalls reduziert. Tabelle 1 zeigt einen Vergleich zwischen zwei Architekturen.

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Tabelle 1:Vergleich der EDR-Architektur basierend auf dem verwendeten nichtflüchtigen Speicher. (Quelle:Cypress Semiconductor)

Mit verbindlichen Vorschriften zur Implementierung von EDRs mit steigender Nachfrage nach Datenprotokollen sollte die Möglichkeit des Datenverlusts aus dem Design genommen und eine sicherere und zuverlässigere Architektur für eine bessere Datenintegrität berücksichtigt werden. Die F-RAM-Technologie wurde speziell für geschäftskritische Anwendungen wie EDRs entwickelt. F-RAM-basierte Architekturen erfüllen die anspruchsvollen Anforderungen von EDRs der nächsten Generation, die speziell für die fortschrittlichsten Automobilanforderungen entwickelt wurden.

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