Répondre aux nouvelles exigences en matière d'enregistrement de données fiable dans les systèmes automobiles

Les enregistreurs de données d'événements (EDR), souvent appelés boîtes noires, ne sont pas nouveaux dans l'électronique automobile. Les EDR enregistrent des données dans les voitures depuis près de 50 ans. Pendant ce temps, l'électronique à l'intérieur des voitures a considérablement évolué. Et, avec tant de recherches sur la technologie de conduite autonome, encore plus de changements sont à venir.

Ces progrès dans l'électronique automobile ont considérablement augmenté les défis associés à l'enregistrement de données EDR. Il est donc surprenant que, pendant toutes ces années, la conception de base de l'EDR n'ait pas changé. Le démontage d'un premier contrôleur d'airbag GM présente une similitude substantielle avec l'architecture d'enregistrement de données utilisée dans les EDR d'aujourd'hui. Autrefois et maintenant, l'EDR attend qu'un événement se déclenche avant d'enregistrer les premières données dans la mémoire non volatile. Cette approche de l'enregistrement des données datant des années 1970 a persisté tandis que d'autres sous-systèmes du véhicule ont évolué à travers de nombreuses générations.

Cette situation existe en partie parce que les mémoires n'ont pas été considérées comme essentielles à la conception de l'EDR. En conséquence, les limitations de l'EEPROM et de la Flash ont, à leur tour, limité les capacités des EDR d'aujourd'hui. Dans cet article, nous aborderons cette perception et explorerons une solution alternative pour faire progresser l'enregistrement des données afin que les EDR puissent répondre aux exigences de fiabilité des véhicules d'aujourd'hui et de demain.

Qu'est-ce qui motive les changements de conception dans les EDR ?

De nouvelles réglementations en Europe et en Chine rendant obligatoire l'utilisation d'EDR dans la plupart des classes de véhicules à moteur mettent l'accent sur la conception d'EDR. Il existe une idée fausse commune selon laquelle les EDR sont obligatoires depuis longtemps, mais ce n'est pas vrai. Même aujourd'hui, l'Amérique du Nord n'impose pas l'utilisation des EDR. Néanmoins, l'utilisation des EDR a été largement adoptée par les constructeurs automobiles et est presque omniprésente en Amérique du Nord. L'Europe et la Chine vont encore plus loin en rendant obligatoire l'EDR sur certaines catégories de véhicules. Dans les véhicules d'aujourd'hui, les sources de données critiques augmentent et les réglementations nécessitent de plus grandes quantités de stockage de données pour une meilleure prise de décision.

Au-delà de la réglementation, il existe également un réel besoin d'intégrer des paramètres accrus dans les véhicules autonomes. Par exemple, dans les véhicules partiellement autonomes L2+ (selon les niveaux d'automatisation de la conduite SAE), le système dispose de plusieurs façons de stocker les données des capteurs et des images. Mais aucun système ne peut fournir une image complète d'un événement critique, en particulier un crash. Ainsi, il devient impératif que certaines données de l'ADAS soient stockées dans un EDR pour établir la synchronisation entre le stockage ADAS et l'EDR lors de l'analyse de l'événement.

Défis dans la conception existante

Examinons la conception EDR existante et comprenons les défis liés à l'adoption de nouvelles réglementations. La figure 1 montre une conception typique de contrôle d'airbag et d'EDR.

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Figure 1 :Conception EDR typique. (Source :Cypress Semiconductor)

Le contrôleur EDR/Airbag surveille le changement soudain de vitesse et d'accélération du véhicule pour identifier le début d'un événement. Une fois l'événement détecté, l'EDR collecte des données sur plusieurs paramètres de performance et de sécurité. Selon le type et la gravité de l'événement, le contrôleur EDR décide de consigner l'enregistrement au cours de l'événement ou après la fin de l'événement. Généralement, lors d'un crash, la batterie principale est supposée être coupée et l'alimentation du contrôleur EDR est fournie par un condensateur de secours. Par conséquent, le journal de données serait alimenté par les condensateurs de sauvegarde.

Une plongée plus approfondie dans l'architecture montre que les EDR actuels utilisent soit une mémoire EEPROM, soit une mémoire flash non volatile pour stocker les données. Étant donné que ces mémoires utilisent des écritures basées sur des pages et ont une faible endurance d'écriture (moins de 10 ⁶ cycles d'écriture), le contrôleur EDR réserve une mémoire tampon RAM équivalente à la taille d'un enregistrement EDR pour stocker les données localement. La mémoire tampon RAM est située dans le MCU avec une taille allant de 8 Ko à 16 Ko pour mettre temporairement en mémoire tampon les données avant qu'elles ne soient écrites dans la mémoire non volatile. L'échantillonnage se termine généralement 250 ms après le déclenchement de l'événement. Après cela, le contenu du tampon RAM est transféré dans la mémoire non volatile. En raison des vitesses d'écriture lentes de l'EEPROM et du flash de données, ce processus peut prendre de quelques centaines de millisecondes à une seconde pour stocker 16 Ko de données. L'ensemble du processus est illustré à la figure 2.

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Figure 2 :Un exemple typique d'enregistrement de données EDR avec EEPROM / Data Flash. (Source :Cypress Semiconductor)

Les condensateurs de secours doivent être conçus pour fournir suffisamment d'énergie pour alimenter l'ensemble du transfert. Les condensateurs sont également utilisés pour alimenter le déploiement de l'airbag. Bien entendu, la tâche principale du contrôleur EDR est de déployer l'airbag et de protéger les occupants. Par conséquent, dans une situation où il n'y a pas assez d'énergie de secours, le déploiement de l'airbag sera prioritaire sur l'enregistrement des données dans la mémoire non volatile. Par conséquent, s'appuyer sur la capacité de sauvegarde pour enregistrer les données met les données en danger. Dans le pire des cas, des condensateurs de secours traversants peuvent sortir de la carte lors d'accidents, mettant en péril toute l'opération.

Une autre considération, pour l'enregistrement des données, l'utilisation d'une mémoire EEPROM et d'une mémoire flash non volatile ajouterait de la complexité. Étant donné que le transfert de données vers la mémoire non volatile s'effectue à l'aide de condensateurs de sauvegarde qui peuvent ne pas être toujours stables, l'intégrité des données du processus d'écriture doit être garantie. Le moyen le plus simple serait une somme de contrôle, mais cela ajoute du temps et de la complexité au micrologiciel.

Nouvelle architecture avec mémoire F-RAM

L'utilisation de la F-RAM comme mémoire non volatile externe permettrait une architecture d'enregistrement de données entièrement différente. Cela peut ne pas être évident à partir du schéma fonctionnel de la figure 3, car la F-RAM ne ferait que remplacer un composant sur la carte. Mais cela permet le développement d'une architecture de firmware différente dont les avantages sont facilement visibles au niveau du système.

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Figure 3 :Conception EDR avec F-RAM. (Source :Cypress Semiconductor)

La technologie F-RAM fournit des écritures à accès aléatoire rapides combinées à une non-volatilité instantanée et à une endurance pratiquement infinie. Cela élimine le besoin de tampons RAM dans le microcontrôleur pour conserver temporairement l'enregistrement EDR. Le micrologiciel EDR peut diviser la mémoire des F-RAM en plusieurs enregistrements EDR. Un enregistrement sera toujours en mémoire de travail tandis que les autres sont soit vides, soit verrouillés avec des données d'événement. Les données peuvent être enregistrées dans la mémoire de travail EDR en continu dans un tampon roulant.

Pour comprendre l'architecture du tampon roulant, disons que la mémoire EDR de travail peut contenir des données pendant 10 secondes. S'il n'y a pas d'événement dans les 10 secondes, les données de la mémoire de travail seront écrasées par de nouvelles données. Ceci est possible grâce à l'endurance pratiquement infinie de la F-RAM. Cela signifie que pendant les événements, lorsque le contrôleur EDR évalue toujours la gravité de l'événement et prend la décision d'enregistrer ou non les données, les données sont déjà stockées dans la F-RAM non volatile, comme le montre la figure 4.

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Figure 4 :Un exemple typique d'enregistrement de données EDR avec F-RAM. (Source :Cypress Semiconductor)

À la fin de l'événement, la seule décision que le contrôleur EDR doit prendre est de conserver le journal ou de l'écraser. Si l'événement est suffisamment grave pour conserver l'enregistrement, le contrôleur EDR verrouille la mémoire de travail dans un enregistrement d'événement EDR et utilise un nouveau tampon dans la F-RAM comme mémoire de travail en prévision du prochain événement. Le flux du micrologiciel est illustré à la figure 5.

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Figure 5 :Un flux de micrologiciel typique pour l'enregistrement de données EDR avec F-RAM. (Source :Cypress Semiconductor)

L'autre avantage est que le stockage des données EDR est un événement distinct qui ne repose pas sur des condensateurs de sauvegarde. Le système EDR peut fonctionner avec des condensateurs plus petits tout en garantissant que l'intégrité des données n'est pas compromise. La complexité du micrologiciel dans le microcontrôleur pour gérer la mémoire et le stockage est également réduite. Le tableau 1 montre une comparaison entre deux architectures.

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Tableau 1 :Comparaison de l'architecture EDR basée sur la mémoire non volatile utilisée. (Source :Cypress Semiconductor)

Avec des réglementations obligatoires pour mettre en œuvre des EDR avec une demande croissante de journaux de données, la possibilité de perdre des données doit être supprimée de la conception et une architecture plus sûre et plus fiable pour une meilleure intégrité des données doit être adoptée. La technologie F-RAM a été développée spécifiquement pour les applications critiques telles que les EDR. Les architectures basées sur la F-RAM répondront aux exigences exigeantes des EDR de nouvelle génération spécialement conçues pour les demandes automobiles les plus avancées.

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Harsha Medu est ingénieur d'application senior chez Cypress Semiconductor. Il a travaillé sur les aspects de conception et d'application de divers produits de mémoire non volatile et a défini des solutions système basées sur de nouveaux produits. Il est titulaire d'un diplôme d'ingénieur en électronique et communication et d'une maîtrise en administration des affaires.

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