摘要：汽車行駛狀況的記錄對分析、鑒定道路交通事故、提高交通管理執(zhí)法水平和運輸管理水平、保障車輛運行安全具有重要作用。采用鐵電存儲器（FRAM）作為汽車行駛實時數據存儲設備，可以顯著提高汽車行駛狀況記錄的速度和密度，減少汽車事故發(fā)生時惡劣環(huán)境對數據記錄的影響，準確地記錄并且長時間地保存故事發(fā)生過程數據，延長實時數據記錄儀的使用壽命，為事故鑒定提供準確可靠的現(xiàn)場原始數據。
關鍵詞：汽車事故 實時記錄儀 鐵電存儲器
1 引言
我國汽車行駛記錄儀國家標準GB/T19056-2003已經于2003年9月1日開始實施，對耐高/低溫和濕熱性、抗振動、抗沖擊、外殼防護、靜電放電抗擾度、輻射抗擾度等25項技術指標都進行了嚴格的規(guī)定。汽車行駛記錄儀是能夠對車輛行駛速度、時間、里程及有關車輛行駛的其他狀態(tài)信息進行記錄、存儲并通過接口實現(xiàn)數據輸出的數字式電子記錄裝置。由于記錄儀能夠實時地記錄車輛運行和駕駛員駕駛活動的有關信息，因而可在遏制疲勞駕駛、車輛超速等嚴重交換違章、約束駕駛人員的不良駕駛行為、預防道路交通事故、保障車輛行駛安全、提高營運管理水平等諸多方面發(fā)揮重要的作用，并將為事故分析鑒定提供原始數據。汽車行駛記錄儀提供的原始數據按時間先后分為二種：歷史數據和實時數據。在事故發(fā)生后的事故分析時，歷史數據只是作為事故分析的參考依據，而分析事故發(fā)生原因和事故責任的主要依據則是事故發(fā)生過程的汽車實時數據。但是，汽車事故發(fā)生的時間非常短暫，而且汽車事故發(fā)生后供電停止。那么，如何得到更多的實時數據和如何在惡劣環(huán)境下繼續(xù)長時間保存所得數據成為汽車行駛記錄儀的關鍵。
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2 汽車行駛記錄儀國家標準的要求
現(xiàn)在實施的GB/T19056-2003汽車行駛記錄儀國家標準對事故疑點數據即汽車事故實時數據的記錄提出了明確的要求：記錄儀應以不大于0.2s的時間間隔持續(xù)記錄并存儲停車前20s實時時間對應的車輛行駛速度值及車輛制動狀態(tài)信號，記錄次數至少為10次。
國家標準的實施為汽車事故實時數據記錄的存儲器選擇提出更高的要求。數據記錄時間間隔不大于0.2s，數據記錄時間段為事故發(fā)生前20s，要求存儲器訪問速度快，數據錯誤率低，可擦寫次數多，數據保護措施好，數據在各種惡劣環(huán)境下的保存時間長，而且要求一定的存儲容量，以達到國家標準的要求。
3 FRAM的性能和特征
美國Ramtron公司推出的鐵電存儲器（FRAM）采用一種全新的存儲材料——鐵電晶體材料，這一特殊材料使得鐵電存儲產品同時擁有隨機存取記憶體（RAM）和非易失性存儲產品的特性。產品的主要特點如下：
·擦寫次數多，至少達到100億次；
·速度快，沒有寫等待時間；
·功耗低，讀寫電流為150μA，靜態(tài)電流小于1μA；
·在高噪聲情況下，數據寫入錯誤率低；
·工作溫度范圍寬，-40℃～+85℃；
·數據保護措施嚴密，數據難以丟失；
·數據保護力強和保存時間長，在掉電情況下，數據可以保存10年以上。
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汽車事故往往發(fā)生在瞬間，持續(xù)時間非常短暫，事故發(fā)生后汽車掉電，汽車事故發(fā)生往往伴隨著劇烈的碰撞甚至爆炸，汽車事故發(fā)生后，汽車行駛記錄儀儀可以短時難尋，而且事故發(fā)生時的每個數據對分析事故原因都極端重要，因而，F(xiàn)RAM的上述特點使其非常適用于汽車事故的實時數據記錄。
4 FRAM的數據讀寫和保護措施
為了適應各類用戶的使用習慣，Ramtron公司提供了三種通用的數據總線接口：I2C、SPI和并口，推出了一系列不同容量的FRAM。這里，以采用SPI接口的FM25640型為例，介紹FRAM的數據讀寫和數據保護。
4．1 FM2560簡介
FM25640是Ramtron公司新推出的產品之一，采用工業(yè)標準串行外設接口SPI總線對存儲器進行訪問，總存儲容量為64k byte，最大總線工作頻率達5MHz。圖1所示為FM25640的引腳排列。
SPI接口是一種通用同步串行接口總線，SPI接口利用SCK、SI和SO 3個引腳線進行數據的讀/寫，其中，SCK為時鐘信號端，SI和SO為數據輸入和輸出端。SCK引腳的時鐘信號必須由外部單片機或控制器輸入，讀/寫命令字由SI引腳輸入，數據由SO引腳輸出。SPI接口共有4種操作模式，分別為0、1、2和3。SPI操作模式決定了設備接收和發(fā)送數據時的時鐘相位和極性，即決定了時鐘信號的上升沿和下降沿與數據流方向之間的關系，F(xiàn)M25640僅支持模式0和3。在這二種模式下，SCK信號的上升沿觸發(fā)數據輸入，下降沿觸發(fā)數據輸出。
4．2 FM25640的數據讀寫操作
FM25640是一種8位存儲器，采用8192×8的陣列組織形式，用戶訪問時，只需指定13位訪問地址，8位數據自動串行移位。FM25640從外界獲得的數據按功能分為二種：指令（command）和數據（data）。不同的功能具有不同的寫入格式和方法。
（1）FM25640的寫指令
FM25640總共有6條指令，它們分別是寫使能（WREN）、寫禁止（WEDI）、讀寄存器（RDSR）、寫寄存器（WRSR）、讀數據（READ）和寫數據（WRITE），這些指令控制存儲器需要完成的功能。圖2所示為FM25640的寫指令時序。
（2）FM25640的寫數據
由于正常情況下FM25640都是處于寫禁止狀態(tài)，因此，在執(zhí)行寫操作之前，必須先寫入寫使能（WREN）指令，然后指定數據存儲的13位起始地址，最后輸入數據，F(xiàn)RAM的訪問速度非常塊，不需要寫等待時間，所有數據均可以總線速度連續(xù)寫入，數據寫入完成后，片選端的上升沿使本次寫使能失效，F(xiàn)RAM自動恢復寫禁止狀態(tài)。
（3）FM25640的讀操作
在片選信號有效后，總線輸入讀數據（READ）信號，指定數據存儲的13位起始地址后，SI端口被屏蔽，數據從SO端口輸出，數據地址內部自動增加，每個時鐘周期輸出一位，每個字節(jié)的最大有效位（MSB）最先輸出。片選端的上升沿使本次讀使能失效。讀數據的時序如圖4所示。
4．3 FM25640的數據保護措施
FRAM采用了多種有效的數據保護措施，其具體措施如下：
·片選信號無效時，所有輸出引腳均為高阻態(tài)，并且忽略所有輸入信號，避免外界噪聲改寫存儲器；
·設有寫保護端口，這個端口有效時，禁止對狀態(tài)寄存器進行寫操作，由于每次讀寫數據前都必須向寄存器寫入相應的指令，因此這個保護措施非常有效；
·FRA寫入快速度，在高噪聲環(huán)境下，快速寫入可以減少數據受噪聲影響生產的錯誤率；
·在寫入過程中，首先寫入最重要的數據——最大有效位（MSB）；
·FRAM上電時，默認狀態(tài)為寫禁止，防止非法改變數據。在數據寫入前，必須用寫使能指令開啟寫入功能，寫入完成后，F(xiàn)RAM自動恢復寫禁止狀態(tài)；
·在狀態(tài)寄存器中的WPEN、BP0、BP1都為1，并且WP引腳為低電平的情況下，所有數據寫入都無效；
·與其他存儲器不同，既使經過多次擦寫，F(xiàn)RAM也很少發(fā)生硬件讀寫錯誤；
·FRAM采用和DRAM相似的讀/重寫機制，經過多次讀出不會破壞原始數據。
有了上述數據保護措施，F(xiàn)RAM可以在惡劣的環(huán)境下正確記錄且長時間地完整保存汽車事故發(fā)生現(xiàn)場的數據。
5 系統(tǒng)設計
5．1 系統(tǒng)硬件設計
在基于FRAM的高速、高保真汽車事故實時數據記錄儀的系統(tǒng)設計中，采用單片機作為系統(tǒng)的協(xié)議和處理中心。通過汽車的CAN數據總線，單片機產生各個模塊工作的時序，并接收各種傳感器測量的實時數據，進行處理后，通過I/O口或者專用接口輸入FRAM。系統(tǒng)的結構如圖5所示。
5．2 系統(tǒng)軟件設計
（1）系統(tǒng)初始化
汽車發(fā)動時，系統(tǒng)上電，進行系統(tǒng)初始化，初始化的主要任務是開啟中斷功能。
（2）系統(tǒng)的數據采集
在分析事故發(fā)生原因和事故責任時，事故發(fā)生時的汽車實時數據是主要依據。國家標準規(guī)定，對于事故疑點數據，記錄儀應以不大于0.2s的時間間隔持續(xù)記錄速度值及制動狀態(tài)信號，而對于其他非突發(fā)的參考數據可以減少其數據采集密度，因此系統(tǒng)設定突發(fā)信號和非突發(fā)信號的采樣次數比為50：1，這樣能有效減少數據量，提高有效數據采集密度，增加有效數據量。單片機從汽車CAN總線依次讀取速度、制動、轉向燈等傳感器的值，經過簡單處理，送入FRAM存儲。數據寬度均為8位，總線速度為1MHz，得到的突發(fā)信號平均記錄間隔小于20ms，遠遠超過國家標準0.2s的采樣時間間隔。64k byte的存儲量可以存儲長達將近2min的數據量，超過國標的20s的數據記錄量。
（3）汽車事故發(fā)生的反應
汽車事故發(fā)生時，往往伴隨著強烈的振動，這個強烈的振動信號由振動傳感器拾取，產生中斷信號，中斷信號使單片機停止訪問各個模塊傳感器，并向實時數據的末尾加寫數據結束符“”，然后向FRAM狀態(tài)寄存器寫入10001100，禁止對FRAM進行任何寫操作，所有這些操作無關100μs內完成。
（4）事故的數據保存
汽車事故發(fā)生后，若系統(tǒng)不掉電，則系統(tǒng)停止在中斷的空循環(huán)，不對存儲器進行任何訪問，F(xiàn)RAM由于中斷啟動的數據保護機制有效，任何非系統(tǒng)數據寫入都被FRAM拒絕；若系統(tǒng)掉電，F(xiàn)RAM的WP引腳也為低電平，禁止對FRAM的狀態(tài)寄存器進行寫操作，而中斷程序使WPEN、BP0、BP1=1，因此外界對存儲器的任何非法操作都無法實現(xiàn)。
6 總結
汽車行駛記錄儀可以詳細記錄汽車事故發(fā)生前的行駛狀況，為汽車事故原因分析和責任評定提供了強有力的手段和證據，更好地保障人民群眾的生命財產安全。采用FRAM作為汽車實時數據記錄儀的存儲器，能夠快速、高密度地記錄事故發(fā)生過程的汽車行駛狀況，減少由于汽車事故發(fā)生的惡劣環(huán)境對數據記錄的影響，準確地記錄并且長時間地保存事故現(xiàn)場，延長實時數據記錄儀的使用壽命，同時，采用FRAM可以簡化系統(tǒng)，減低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的可靠性。將來，隨著FRAM技術的發(fā)展，F(xiàn)RAM的存儲量還會大大增加，可以增加汽車狀態(tài)傳感器的數量和種類，提高事故發(fā)生前的數據記錄密度，為事故分析和責任證定提供更全面、準確、細致的汽車行駛狀態(tài)記錄。