Cumplimiento de los requisitos emergentes para el registro de datos confiable en sistemas automotrices

Los registradores de datos de eventos (EDR), a menudo llamados cajas negras, no son nuevos en la electrónica automotriz. Los EDR han estado registrando datos en automóviles durante casi 50 años. Durante este tiempo, la electrónica dentro de los autos ha evolucionado dramáticamente. Y, con tanta investigación sobre la tecnología de conducción autónoma, se avecinan aún más cambios.

Estos avances en la electrónica automotriz han aumentado sustancialmente los desafíos asociados con el registro de datos EDR. Por tanto, es sorprendente que, en todos estos años, el diseño básico de EDR no haya cambiado. El desmontaje de uno de los primeros controladores de airbag de GM tiene una similitud sustancial con la arquitectura de registro de datos utilizada en los EDR actuales. Entonces y ahora, el EDR espera a que se active un evento antes de registrar los primeros datos en la memoria no volátil. Este enfoque de la era de 1970 para el registro de datos ha persistido, mientras que otros subsistemas dentro del vehículo han avanzado a lo largo de muchas generaciones.

En parte, esta situación existe porque las memorias no se han considerado fundamentales para el diseño de EDR. Como resultado, las limitaciones de EEPROM y Flash, a su vez, han limitado las capacidades de los EDR actuales. En este artículo abordaremos esta percepción y exploraremos una solución alternativa para avanzar en el registro de datos de modo que los EDR puedan cumplir con los requisitos de confiabilidad de los vehículos de hoy y de mañana.

¿Qué está impulsando los cambios de diseño en los EDR?

Las nuevas regulaciones en Europa y China que exigen el uso de EDR en la mayoría de las clases de vehículos de motor están agregando un nuevo enfoque al diseño de EDR. Existe la idea errónea de que los EDR han sido obligatorios durante mucho tiempo, pero eso no es cierto. Incluso hoy en día, América del Norte no exige el uso de EDR. Sin embargo, el uso de EDR ha sido ampliamente adoptado por los fabricantes de automóviles y es casi omnipresente en América del Norte. Europa y China van un paso más allá al imponer el EDR en determinadas categorías de vehículos. En los vehículos de hoy, las fuentes de datos críticos están aumentando y las regulaciones requieren mayores cantidades de almacenamiento de datos para una mejor toma de decisiones.

Además de las reglamentaciones, también existe una necesidad real de adaptarse a los mayores parámetros en los vehículos autónomos. Por ejemplo, en vehículos L2 + parcialmente autónomos (según los niveles SAE de automatización de conducción), hay más formas en que el sistema puede almacenar datos de sensores e imágenes. Pero ningún sistema por sí solo puede proporcionar la imagen completa de un evento crítico, especialmente un accidente. Por lo tanto, es imperativo que algunos datos de ADAS se almacenen en un EDR para establecer la sincronización entre el almacenamiento de ADAS y el EDR al analizar el evento.

Desafíos en el diseño existente

Examinemos el diseño de EDR existente y comprendamos los desafíos de adoptar nuevas regulaciones. La Figura 1 muestra un diseño típico de control de airbag y EDR.

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Figura 1:Diseño típico de EDR. (Fuente:Cypress Semiconductor)

El controlador EDR / Airbag monitorea el cambio repentino en la velocidad y aceleración del vehículo para identificar el inicio de un evento. Una vez que se detecta el evento, el EDR recopila datos sobre múltiples parámetros de rendimiento y seguridad. Dependiendo del tipo y la gravedad del evento, el controlador de EDR decide registrar el registro durante el curso del evento o una vez finalizado el evento. Generalmente, durante un choque, se supone que la batería principal está cortada y la energía al controlador EDR es suministrada por un condensador de respaldo. Por lo tanto, el registro de datos estaría alimentado por los capacitores de respaldo.

Un análisis más profundo de la arquitectura muestra que los EDR actuales usan EEPROM o memoria flash no volátil de datos para almacenar datos. Dado que estos recuerdos utilizan escrituras basadas en páginas y tienen poca resistencia a la escritura (menos de 10 ⁶ ciclos de escritura), el controlador EDR reserva un búfer RAM equivalente al tamaño de un registro EDR para almacenar los datos localmente. El búfer de RAM se encuentra dentro de la MCU con un tamaño que varía entre 8 KB y 16 KB para almacenar temporalmente los datos antes de que se escriban en la memoria no volátil. El muestreo normalmente finalizaría 250 ms después de que se desencadena el evento. Después de eso, el contenido del búfer RAM se transfiere a la memoria no volátil. Debido a las lentas velocidades de escritura de la EEPROM y la memoria flash de datos, este proceso puede tardar desde unos pocos cientos de milisegundos hasta un segundo en almacenar 16 KB de datos. Todo el proceso se muestra en la Figura 2.

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Figura 2:Un ejemplo típico de registro de datos EDR con EEPROM / Data Flash. (Fuente:Cypress Semiconductor)

Los condensadores de respaldo deben estar diseñados para proporcionar suficiente energía para alimentar toda la transferencia. Los condensadores también se utilizan para impulsar el despliegue del airbag. Por supuesto, el trabajo principal del controlador EDR es desplegar el airbag y proteger a los ocupantes. Por lo tanto, en una situación en la que no haya suficiente energía de respaldo, el despliegue de la bolsa de aire tendrá prioridad sobre el registro de datos en la memoria no volátil. Por lo tanto, confiar en la capacidad de respaldo para registrar datos los pone en riesgo. En el peor de los casos, los condensadores de respaldo con orificios pasantes pueden salirse de la placa durante los accidentes, poniendo en riesgo toda la operación.

Otra consideración, para el registro de datos, el uso de EEPROM y la memoria flash no volátil de datos agregaría complejidad. Dado que la transferencia de datos a la memoria no volátil se realiza utilizando condensadores de respaldo que pueden no ser siempre estables, se debe garantizar la integridad de los datos del proceso de escritura. La forma más sencilla sería una suma de comprobación, pero agrega tiempo y complejidad al firmware.

Nueva arquitectura con memoria F-RAM

El uso de F-RAM como memoria externa no volátil permitiría una arquitectura de registro de datos completamente diferente. Puede que no sea obvio en el diagrama de bloques de la Figura 3, ya que F-RAM simplemente reemplazaría un componente en la placa. Pero permite el desarrollo de una arquitectura de firmware diferente cuyos beneficios se pueden ver fácilmente a nivel del sistema.

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Figura 3:Diseño de EDR con F-RAM. (Fuente:Cypress Semiconductor)

La tecnología F-RAM proporciona escrituras rápidas de acceso aleatorio combinadas con una no volatilidad instantánea y una resistencia prácticamente infinita. Esto elimina la necesidad de búferes de RAM en el microcontrolador para mantener temporalmente el registro EDR. El firmware EDR puede dividir la memoria en F-RAM en varios registros EDR. Un registro siempre estará en la memoria de trabajo, mientras que el resto estará vacío o bloqueado con datos de eventos. Los datos se pueden registrar en la memoria EDR en funcionamiento de forma continua en un búfer rodante.

Para comprender la arquitectura de búfer rodante, digamos que la memoria EDR en funcionamiento puede almacenar datos durante 10 segundos. Si no hay ningún evento en 10 segundos, los datos en la memoria de trabajo se sobrescribirán con datos nuevos. Esto es posible gracias a la resistencia prácticamente infinita de F-RAM. Esto significa que durante los eventos, cuando el controlador EDR todavía está evaluando la gravedad del evento y tomando decisiones sobre si registrar los datos o no, los datos ya están almacenados en F-RAM no volátil como se muestra en la Figura 4.

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Figura 4:Un ejemplo típico de registro de datos EDR con F-RAM. (Fuente:Cypress Semiconductor)

Al final del evento, la única decisión que debe tomar el controlador EDR es si conservar el registro o sobrescribirlo. Si el evento es lo suficientemente grave como para mantener el registro, el controlador EDR bloquearía la memoria de trabajo en un registro de eventos EDR y usaría un nuevo búfer en F-RAM como memoria de trabajo en previsión del próximo evento. El flujo de firmware se muestra en la Figura 5.

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Figura 5:Un flujo de firmware típico para el registro de datos EDR con F-RAM. (Fuente:Cypress Semiconductor)

La otra ventaja es que el almacenamiento de datos EDR es un evento separado que no depende de capacitores de respaldo. El sistema EDR puede funcionar con condensadores más pequeños al tiempo que garantiza que la integridad de los datos no se vea comprometida. También se reduce la complejidad del firmware en el microcontrolador para administrar la memoria y el almacenamiento. La Tabla 1 muestra una comparación entre dos arquitecturas.

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Tabla 1:Comparación de la arquitectura EDR basada en la memoria no volátil en uso. (Fuente:Cypress Semiconductor)

Con regulaciones obligatorias para implementar EDR con una demanda creciente de registros de datos, la posibilidad de perder datos debe eliminarse del diseño y debe adoptarse una arquitectura más segura y confiable para una mejor integridad de los datos. La tecnología F-RAM se desarrolló específicamente para aplicaciones de misión crítica como los EDR. Las arquitecturas basadas en F-RAM cumplirán con los exigentes requisitos de los EDR de próxima generación diseñados específicamente para las demandas automotrices más avanzadas.

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