摘要：汽車(chē)行駛狀況的記錄對(duì)分析,、鑒定道路交通事故,、提高交通管理執(zhí)法水平和運(yùn)輸管理水平,、保障車(chē)輛運(yùn)行安全具有重要作用。采用鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）作為汽車(chē)行駛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備,，可以顯著提高汽車(chē)行駛狀況記錄的速度和密度,，減少汽車(chē)事故發(fā)生時(shí)惡劣環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)記錄的影響，準(zhǔn)確地記錄并且長(zhǎng)時(shí)間地保存故事發(fā)生過(guò)程數(shù)據(jù),，延長(zhǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄儀的使用壽命,，為事故鑒定提供準(zhǔn)確可靠的現(xiàn)場(chǎng)原始數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)事故 實(shí)時(shí)記錄儀 鐵電存儲(chǔ)器

1 引言

        我國(guó)汽車(chē)行駛記錄儀國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19056-2003已經(jīng)于2003年9月1日開(kāi)始實(shí)施,，對(duì)耐高/低溫和濕熱性,、抗振動(dòng)、抗沖擊,、外殼防護(hù),、靜電放電抗擾度、輻射抗擾度等25項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定,。汽車(chē)行駛記錄儀是能夠?qū)?chē)輛行駛速度,、時(shí)間、里程及有關(guān)車(chē)輛行駛的其他狀態(tài)信息進(jìn)行記錄,、存儲(chǔ)并通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出的數(shù)字式電子記錄裝置,。由于記錄儀能夠?qū)崟r(shí)地記錄車(chē)輛運(yùn)行和駕駛員駕駛活動(dòng)的有關(guān)信息，因而可在遏制疲勞駕駛,、車(chē)輛超速等嚴(yán)重交換違章,、約束駕駛?cè)藛T的不良駕駛行為、預(yù)防道路交通事故,、保障車(chē)輛行駛安全,、提高營(yíng)運(yùn)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(shù)據(jù),。汽車(chē)行駛記錄儀提供的原始數(shù)據(jù)按時(shí)間先后分為二種：歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),。在事故發(fā)生后的事故分析時(shí)，歷史數(shù)據(jù)只是作為事故分析的參考依據(jù),，而分析事故發(fā)生原因和事故責(zé)任的主要依據(jù)則是事故發(fā)生過(guò)程的汽車(chē)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),。但是，汽車(chē)事故發(fā)生的時(shí)間非常短暫,，而且汽車(chē)事故發(fā)生后供電停止,。那么，如何得到更多的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和如何在惡劣環(huán)境下繼續(xù)長(zhǎng)時(shí)間保存所得數(shù)據(jù)成為汽車(chē)行駛記錄儀的關(guān)鍵,。

2 汽車(chē)行駛記錄儀國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求 

        現(xiàn)在實(shí)施的GB/T19056-2003汽車(chē)行駛記錄儀國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)即汽車(chē)事故實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的記錄提出了明確的要求：記錄儀應(yīng)以不大于0.2s的時(shí)間間隔持續(xù)記錄并存儲(chǔ)停車(chē)前20s實(shí)時(shí)時(shí)間對(duì)應(yīng)的車(chē)輛行駛速度值及車(chē)輛制動(dòng)狀態(tài)信號(hào),，記錄次數(shù)至少為10次。 

        國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施為汽車(chē)事故實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄的存儲(chǔ)器選擇提出更高的要求。數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔不大于0.2s,，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間段為事故發(fā)生前20s,，要求存儲(chǔ)器訪問(wèn)速度快，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率低,，可擦寫(xiě)次數(shù)多,，數(shù)據(jù)保護(hù)措施好，數(shù)據(jù)在各種惡劣環(huán)境下的保存時(shí)間長(zhǎng),，而且要求一定的存儲(chǔ)容量,，以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 FRAM的性能和特征 

        美國(guó)Ramtron公司推出的鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）采用一種全新的存儲(chǔ)材料——鐵電晶體材料,，這一特殊材料使得鐵電存儲(chǔ)產(chǎn)品同時(shí)擁有隨機(jī)存取記憶體（RAM）和非易失性存儲(chǔ)產(chǎn)品的特性,。產(chǎn)品的主要特點(diǎn)如下： 

        ·擦寫(xiě)次數(shù)多，至少達(dá)到100億次,； 

        ·速度快,，沒(méi)有寫(xiě)等待時(shí)間； 

        ·功耗低,，讀寫(xiě)電流為150μA,，靜態(tài)電流小于1μA； 

        ·在高噪聲情況下,，數(shù)據(jù)寫(xiě)入錯(cuò)誤率低,； 

        ·工作溫度范圍寬，-40℃～+85℃,； 

        ·數(shù)據(jù)保護(hù)措施嚴(yán)密,，數(shù)據(jù)難以丟失； 

        ·數(shù)據(jù)保護(hù)力強(qiáng)和保存時(shí)間長(zhǎng),，在掉電情況下,，數(shù)據(jù)可以保存10年以上。 

        汽車(chē)事故往往發(fā)生在瞬間,，持續(xù)時(shí)間非常短暫,，事故發(fā)生后汽車(chē)掉電，汽車(chē)事故發(fā)生往往伴隨著劇烈的碰撞甚至爆炸,，汽車(chē)事故發(fā)生后，汽車(chē)行駛記錄儀儀可以短時(shí)難尋,，而且事故發(fā)生時(shí)的每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)分析事故原因都極端重要,，因而，F(xiàn)RAM的上述特點(diǎn)使其非常適用于汽車(chē)事故的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄,。

4 FRAM的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)和保護(hù)措施 

        為了適應(yīng)各類(lèi)用戶的使用習(xí)慣,，Ramtron公司提供了三種通用的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)讀寫(xiě)和數(shù)據(jù)保護(hù),。 

        4．1 FM2560簡(jiǎn)介 

        FM25640是Ramtron公司新推出的產(chǎn)品之一,，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口SPI總線對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問(wèn)，總存儲(chǔ)容量為64k byte,，最大總線工作頻率達(dá)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(gè)引腳線進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀/寫(xiě)，其中,，SCK為時(shí)鐘信號(hào)端,，SI和SO為數(shù)據(jù)輸入和輸出端。SCK引腳的時(shí)鐘信號(hào)必須由外部單片機(jī)或控制器輸入,，讀/寫(xiě)命令字由SI引腳輸入,，數(shù)據(jù)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?jīng)Q定了設(shè)備接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)鐘相位和極性,，即決定了時(shí)鐘信號(hào)的上升沿和下降沿與數(shù)據(jù)流方向之間的關(guān)系，F(xiàn)M25640僅支持模式0和3,。在這二種模式下,，SCK信號(hào)的上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)輸入，下降沿觸發(fā)數(shù)據(jù)輸出,。 

        4．2 FM25640的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作 

        FM25640是一種8位存儲(chǔ)器,，采用8192×8的陣列組織形式，用戶訪問(wèn)時(shí),，只需指定13位訪問(wèn)地址,，8位數(shù)據(jù)自動(dòng)串行移位。FM25640從外界獲得的數(shù)據(jù)按功能分為二種：指令（command）和數(shù)據(jù)（data）,。不同的功能具有不同的寫(xiě)入格式和方法,。 

        （1）FM25640的寫(xiě)指令 

        FM25640總共有6條指令，它們分別是寫(xiě)使能（WREN）,、寫(xiě)禁止（WEDI）,、讀寄存器（RDSR）,、寫(xiě)寄存器（WRSR）、讀數(shù)據(jù)（READ）和寫(xiě)數(shù)據(jù)（WRITE）,，這些指令控制存儲(chǔ)器需要完成的功能,。圖2所示為FM25640的寫(xiě)指令時(shí)序。 

        （2）FM25640的寫(xiě)數(shù)據(jù) 

        由于正常情況下FM25640都是處于寫(xiě)禁止?fàn)顟B(tài),，因此,，在執(zhí)行寫(xiě)操作之前，必須先寫(xiě)入寫(xiě)使能（WREN）指令,，然后指定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的13位起始地址,，最后輸入數(shù)據(jù)，F(xiàn)RAM的訪問(wèn)速度非常塊,，不需要寫(xiě)等待時(shí)間,，所有數(shù)據(jù)均可以總線速度連續(xù)寫(xiě)入，數(shù)據(jù)寫(xiě)入完成后,，片選端的上升沿使本次寫(xiě)使能失效,，F(xiàn)RAM自動(dòng)恢復(fù)寫(xiě)禁止?fàn)顟B(tài)。

        （3）FM25640的讀操作 

        在片選信號(hào)有效后,，總線輸入讀數(shù)據(jù)（READ）信號(hào),，指定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的13位起始地址后，SI端口被屏蔽,，數(shù)據(jù)從SO端口輸出,，數(shù)據(jù)地址內(nèi)部自動(dòng)增加，每個(gè)時(shí)鐘周期輸出一位,，每個(gè)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(shù)據(jù)的時(shí)序如圖4所示,。 

        4．3 FM25640的數(shù)據(jù)保護(hù)措施 

        FRAM采用了多種有效的數(shù)據(jù)保護(hù)措施,，其具體措施如下： 

        ·片選信號(hào)無(wú)效時(shí)，所有輸出引腳均為高阻態(tài),，并且忽略所有輸入信號(hào),，避免外界噪聲改寫(xiě)存儲(chǔ)器； 

        ·設(shè)有寫(xiě)保護(hù)端口,，這個(gè)端口有效時(shí),，禁止對(duì)狀態(tài)寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作，由于每次讀寫(xiě)數(shù)據(jù)前都必須向寄存器寫(xiě)入相應(yīng)的指令,，因此這個(gè)保護(hù)措施非常有效,； 

        ·FRA寫(xiě)入快速度，在高噪聲環(huán)境下,，快速寫(xiě)入可以減少數(shù)據(jù)受噪聲影響生產(chǎn)的錯(cuò)誤率； 

        ·在寫(xiě)入過(guò)程中，首先寫(xiě)入最重要的數(shù)據(jù)——最大有效位（MSB）,； 

        ·FRAM上電時(shí),，默認(rèn)狀態(tài)為寫(xiě)禁止，防止非法改變數(shù)據(jù),。在數(shù)據(jù)寫(xiě)入前,，必須用寫(xiě)使能指令開(kāi)啟寫(xiě)入功能，寫(xiě)入完成后,，F(xiàn)RAM自動(dòng)恢復(fù)寫(xiě)禁止?fàn)顟B(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(shù)據(jù)寫(xiě)入都無(wú)效,； 

        ·與其他存儲(chǔ)器不同,，既使經(jīng)過(guò)多次擦寫(xiě)，F(xiàn)RAM也很少發(fā)生硬件讀寫(xiě)錯(cuò)誤,； 

        ·FRAM采用和DRAM相似的讀/重寫(xiě)機(jī)制,，經(jīng)過(guò)多次讀出不會(huì)破壞原始數(shù)據(jù)。 

        有了上述數(shù)據(jù)保護(hù)措施,，F(xiàn)RAM可以在惡劣的環(huán)境下正確記錄且長(zhǎng)時(shí)間地完整保存汽車(chē)事故發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù),。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 

        5．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 

        在基于FRAM的高速、高保真汽車(chē)事故實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，采用單片機(jī)作為系統(tǒng)的協(xié)議和處理中心,。通過(guò)汽車(chē)的CAN數(shù)據(jù)總線，單片機(jī)產(chǎn)生各個(gè)模塊工作的時(shí)序,，并接收各種傳感器測(cè)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),，進(jìn)行處理后，通過(guò)I/O口或者專(zhuān)用接口輸入FRAM,。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示,。 

        5．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 

        （1）系統(tǒng)初始化 

        汽車(chē)發(fā)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)上電,，進(jìn)行系統(tǒng)初始化,，初始化的主要任務(wù)是開(kāi)啟中斷功能。 

        （2）系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集 

        在分析事故發(fā)生原因和事故責(zé)任時(shí),，事故發(fā)生時(shí)的汽車(chē)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是主要依據(jù),。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù),，記錄儀應(yīng)以不大于0.2s的時(shí)間間隔持續(xù)記錄速度值及制動(dòng)狀態(tài)信號(hào),，而對(duì)于其他非突發(fā)的參考數(shù)據(jù)可以減少其數(shù)據(jù)采集密度,，因此系統(tǒng)設(shè)定突發(fā)信號(hào)和非突發(fā)信號(hào)的采樣次數(shù)比為50：1，這樣能有效減少數(shù)據(jù)量,，提高有效數(shù)據(jù)采集密度,，增加有效數(shù)據(jù)量。單片機(jī)從汽車(chē)CAN總線依次讀取速度,、制動(dòng),、轉(zhuǎn)向燈等傳感器的值，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理,，送入FRAM存儲(chǔ),。數(shù)據(jù)寬度均為8位，總線速度為1MHz,，得到的突發(fā)信號(hào)平均記錄間隔小于20ms,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)0.2s的采樣時(shí)間間隔。64k byte的存儲(chǔ)量可以存儲(chǔ)長(zhǎng)達(dá)將近2min的數(shù)據(jù)量,，超過(guò)國(guó)標(biāo)的20s的數(shù)據(jù)記錄量,。 

        （3）汽車(chē)事故發(fā)生的反應(yīng) 

        汽車(chē)事故發(fā)生時(shí)，往往伴隨著強(qiáng)烈的振動(dòng),，這個(gè)強(qiáng)烈的振動(dòng)信號(hào)由振動(dòng)傳感器拾取,，產(chǎn)生中斷信號(hào)，中斷信號(hào)使單片機(jī)停止訪問(wèn)各個(gè)模塊傳感器,，并向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)的末尾加寫(xiě)數(shù)據(jù)結(jié)束符“”,，然后向FRAM狀態(tài)寄存器寫(xiě)入10001100，禁止對(duì)FRAM進(jìn)行任何寫(xiě)操作,，所有這些操作無(wú)關(guān)100μs內(nèi)完成,。 

        （4）事故的數(shù)據(jù)保存 

        汽車(chē)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(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行任何訪問(wèn)，F(xiàn)RAM由于中斷啟動(dòng)的數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制有效,，任何非系統(tǒng)數(shù)據(jù)寫(xiě)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(duì)FRAM的狀態(tài)寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作,，而中斷程序使WPEN、BP0,、BP1=1,，因此外界對(duì)存儲(chǔ)器的任何非法操作都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

6 總結(jié) 

        汽車(chē)行駛記錄儀可以詳細(xì)記錄汽車(chē)事故發(fā)生前的行駛狀況,，為汽車(chē)事故原因分析和責(zé)任評(píng)定提供了強(qiáng)有力的手段和證據(jù),，更好地保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全,。采用FRAM作為汽車(chē)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄儀的存儲(chǔ)器，能夠快速,、高密度地記錄事故發(fā)生過(guò)程的汽車(chē)行駛狀況,，減少由于汽車(chē)事故發(fā)生的惡劣環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)記錄的影響，準(zhǔn)確地記錄并且長(zhǎng)時(shí)間地保存事故現(xiàn)場(chǎng),，延長(zhǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄儀的使用壽命，同時(shí),，采用FRAM可以簡(jiǎn)化系統(tǒng),，減低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的可靠性,。將來(lái),，隨著FRAM技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)RAM的存儲(chǔ)量還會(huì)大大增加,，可以增加汽車(chē)狀態(tài)傳感器的數(shù)量和種類(lèi),，提高事故發(fā)生前的數(shù)據(jù)記錄密度，為事故分析和責(zé)任證定提供更全面,、準(zhǔn)確,、細(xì)致的汽車(chē)行駛狀態(tài)記錄。