利用F-RAM打造汽車安全氣囊應(yīng)用

　　鐵電RAM(F-RAM)存儲(chǔ)器被用在一系列廣泛的應(yīng)用中，其中包括工業(yè)控制系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化、任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用和汽車系統(tǒng)等。未來(lái)幾年，汽車的安全系統(tǒng)將會(huì)變得更加復(fù)雜。推動(dòng)該趨勢(shì)的一個(gè)主要?jiǎng)恿κ穷A(yù)期的監(jiān)管措施，它們將對(duì)汽車安全氣囊和穩(wěn)定控制系統(tǒng)的配售率和成熟度產(chǎn)生影響。本文探討在這些系統(tǒng)中使用F-RAM非易失性存儲(chǔ)技術(shù)的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

　　“安全氣囊系統(tǒng)”正在發(fā)生兩大變化。首先，所有新型安全氣囊都配有一個(gè)智能傳感器，用于檢測(cè)車內(nèi)是否有乘客。安全氣囊的每一次誤彈出都會(huì)導(dǎo)致極高的更換成本以及相應(yīng)的維護(hù)、人工和部件成本。能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)乘客的重量和存在的智能傳感器能夠?yàn)榘踩珰饽业倪\(yùn)行增加一個(gè)“可變性”，從而既能避免安全氣囊誤觸發(fā)對(duì)乘客造成傷害，也能在嚴(yán)重碰撞時(shí)為乘客提供保護(hù)。

　　其次，“安全氣囊系統(tǒng)”在事故發(fā)生之前將“實(shí)際信息或數(shù)據(jù)”采集到行車記錄儀(EDR)里。這對(duì)于今后的訴訟或保險(xiǎn)索賠有很大的價(jià)值。EDR功能通常內(nèi)置于安全氣囊電子控制單元(ECU)中。這是一種自然組合，因?yàn)镋DR并不需要像飛機(jī)黑匣子那么高的耐受性要求，而且安全氣囊控制器是接收各類重要傳感器輸入的主要器件，此外，汽車上沒(méi)有安裝獨(dú)立EDR的空間。

　　這兩個(gè)要求導(dǎo)致我們需要一個(gè)可讀寫次數(shù)極高、存取速度較快的非易失性存儲(chǔ)器。對(duì)于“智能”安全氣囊而言，設(shè)計(jì)人員希望部署碰撞時(shí)彈力可變的安全氣囊。對(duì)存儲(chǔ)的要求是：頻繁記錄座位位置以及乘客的重量和存在/實(shí)際位置。在維護(hù)歷史方面，存儲(chǔ)器有足夠的空間來(lái)存儲(chǔ)最后15–20秒的信息。由于一輛普通汽車通常能夠運(yùn)行30多年，這個(gè)存儲(chǔ)器應(yīng)具備較快的寫速度、即時(shí)非易失性和極高的可讀寫次數(shù)。

　　F-RAM是一種非常適合這些要求的存儲(chǔ)器技術(shù)。與其它技術(shù)一樣，它也提供非易失性存儲(chǔ)功能。F-RAM的主要優(yōu)勢(shì)是極高的可寫次數(shù)和寫速度。有了F-RAM，系統(tǒng)將能以全總線速度持續(xù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而且無(wú)需額外的存儲(chǔ)器、開(kāi)銷或損耗均衡等技術(shù)來(lái)管理存儲(chǔ)器的可讀寫次數(shù)。這是因?yàn)镕-RAM具備即時(shí)非易失性特點(diǎn)，無(wú)需額外準(zhǔn)備時(shí)間 即可存儲(chǔ)信息。其可寫次數(shù)高達(dá)1014量級(jí)。與此相比，大多數(shù)EEPROM和閃存的可惜次數(shù)還不足 106。

　　安全氣囊設(shè)計(jì)

　　圖一：安全氣囊 設(shè)計(jì)

　　鑒于安全性和極高的更換成本，汽車制造商增添了各類用于記錄乘客位置的傳感器，其中包括用于啟動(dòng)安全氣囊子系統(tǒng)的乘客壓力傳感器，和一系列用于提升安全氣囊系統(tǒng)有效性的位置傳感器。位置數(shù)據(jù)需要頻繁更新，而且必須存儲(chǔ)到點(diǎn)，甚至是系統(tǒng)部署時(shí)刻。將位置數(shù)據(jù)持續(xù)記錄和存儲(chǔ)到一個(gè)非易失性存儲(chǔ)器之中的要求使得高性能、低功耗、高讀寫次數(shù)的F-RAM成為一個(gè)理想選擇。

　　圖二：高級(jí)非易失性存儲(chǔ)器對(duì)比

　　相比浮柵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

　　圖三：安全氣囊系統(tǒng)的典型框圖

　　隨著汽車設(shè)計(jì)要求的復(fù)雜性不斷增高，浮柵技術(shù)的局限性變得日益明顯。例如，浮柵存儲(chǔ)的編程過(guò)程需要數(shù)微秒，這對(duì)于安全關(guān)鍵型應(yīng)用而言是一段很長(zhǎng)的時(shí)間。如果碰撞時(shí)突然發(fā)生停電，那么只有很少的信息能夠存儲(chǔ)在浮柵存儲(chǔ)器中。

　　編程過(guò)程也會(huì)損壞絕緣層，因此，這類存儲(chǔ)器的可寫次數(shù)很有限，僅為100,000到1,000,000次。例如在客載傳感器中，數(shù)據(jù)更新量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這個(gè)極限。假設(shè)典型的要求是數(shù)據(jù)每一秒更新一次，浮柵存儲(chǔ)器不到12天就會(huì)損耗殆盡。斷電時(shí)將數(shù)據(jù)緩存到RAM中并寫入浮柵存儲(chǔ)器，就會(huì)給EDR帶來(lái)數(shù)據(jù)速度問(wèn)題，因此不可行。

　　在智能安全氣囊系統(tǒng)中，不僅需要在碰撞時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而且最好能夠存儲(chǔ)事故發(fā)生前的數(shù)據(jù)。理想的解決方案是使用一個(gè)滾動(dòng)日志存儲(chǔ)碰撞前數(shù)據(jù)，但實(shí)踐證明這種方法不適用于浮柵存儲(chǔ)器，因?yàn)樗鼈兊目蓪懘螖?shù)有限。由于安全氣囊模塊配有大電容器，而它們存儲(chǔ)有充足的電能來(lái)啟動(dòng)安全氣囊的電能，因此，碰撞發(fā)生后可能仍有殘余電能足夠支持從緩沖器寫入數(shù)據(jù)。但其所能寫入的數(shù)據(jù)量和存儲(chǔ)寫入速度取決于可用的電量。一個(gè)典型的2K字節(jié)的浮柵存儲(chǔ)器每5ms約可寫入4字節(jié)，因此，寫滿整個(gè)浮柵存儲(chǔ)器可能需要一秒以上時(shí)間。

　　圖四：非易失性數(shù)據(jù)緩沖器

　　賽普拉斯F-RAM的可寫次數(shù) Vs EEPROM和閃存的可寫次數(shù)

　　由于擁有極高的可寫次數(shù)，F(xiàn)-RAM可被用作數(shù)據(jù)緩沖器。MCU可在運(yùn)行時(shí)將事件持續(xù)直接寫入 F-RAM。由于F-RAM是一種固有的非易失性存儲(chǔ)器，它可以在斷電后保存數(shù)據(jù)。因此，即使主電源被切斷，最后一刻的數(shù)據(jù)也不會(huì)遭到損壞。由于數(shù)據(jù)是被直接寫入F-RAM的，因此不需要將最后一刻的數(shù)據(jù)從SRAM傳送到EEPROM或閃存等非易失性存儲(chǔ)空間。F-RAM不需要系統(tǒng)備用電源來(lái)保留最后一刻的碰撞數(shù)據(jù)。

　　無(wú)寫時(shí)延

　　為了捕獲全部細(xì)節(jié)，一些事件需要每秒被記錄100到 1000次。這給現(xiàn)有基于EEPROM或閃存的記錄器帶來(lái)了挑戰(zhàn)。EEPROM采用逐頁(yè)方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在將兩頁(yè)寫入EEPROM之間需要數(shù)微秒的存儲(chǔ)時(shí)延，從而限制了數(shù)據(jù)記錄能力。“無(wú)延時(shí)”寫入F-RAM可讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員以系統(tǒng)總線速度捕獲和寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

　　快速寫入和低功耗

　　圖五：賽普拉斯F-RAM的寫功耗 vs EEPROM和閃存的寫功耗

　　憑借同類最佳的非易失性寫速度，F(xiàn)-RAM中的高速串行SPI及I2C接口和/或高速并行存取讓控制器能夠?qū)?shù)據(jù)更快地寫入F-RAM。此外，低功耗F-RAM 只需其它非易失性存儲(chǔ)技術(shù)所需總功耗的很小一部分。

　　高可靠性

　　EDR的數(shù)據(jù)可靠性對(duì)于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確性、耐受性、數(shù)據(jù)檢索以及關(guān)鍵的耐用性目標(biāo)來(lái)說(shuō)非常重要。由于這種存儲(chǔ)空間被用于存儲(chǔ)重要的傳感器數(shù)據(jù)，高可靠性和數(shù)據(jù)完整性對(duì)于汽車應(yīng)用而言是不可或缺的。

　　圖六：EDR的數(shù)據(jù)可靠性對(duì)于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確性、耐受性、數(shù)據(jù)檢索和關(guān)鍵的耐用性來(lái)說(shuō)非常重要。

　　成熟度

　　與其它類型的應(yīng)用相比，汽車市場(chǎng)更加關(guān)注技術(shù)成熟度。EEPROM和閃存技術(shù)已為人熟知，主要供應(yīng)商都擁有成熟的質(zhì)量控制體系。因?yàn)榧夹g(shù)界對(duì)一項(xiàng)技術(shù)的可靠性和可用性必須了如指掌，引入新技術(shù)自然會(huì)讓人猶豫不決。F-RAM在汽車環(huán)境(包括達(dá)到125°C極端溫度的引擎蓋內(nèi)應(yīng)用)中出貨量已經(jīng)達(dá)到5億多件，可以說(shuō)其已經(jīng)成熟到了足以讓汽車客戶高枕無(wú)憂的程度。

　　與閃存、EEPROM、電池供電型SRAM和其它類似技術(shù)相比，F(xiàn)-RAM可降低系統(tǒng)成本，提升系統(tǒng)效率，降低復(fù)雜性，并大幅降低功耗。