自動車システムにおける信頼性の高いデータロギングの新たな要件への対応
ブラックボックスと呼ばれることが多いイベントデータレコーダー（EDR）は、自動車用電子機器では新しいものではありません。 EDRは、ほぼ50年間、自動車のデータを記録してきました。この間、車内の電子機器は劇的に進化しました。また、自動運転技術に関する多くの研究により、さらに多くの変化がもたらされるでしょう。
自動車用電子機器のこれらの進歩により、EDRデータロギングに関連する課題が大幅に増加しています。したがって、これらすべての年において、基本的なEDR設計が変更されていないことは驚くべきことです。初期のGMエアバッグコントローラーの分解は、今日のEDRで使用されているデータロギングアーキテクチャと実質的に類似しています。その後、EDRはイベントがトリガーされるのを待ってから、最初のデータを不揮発性メモリに記録します。この1970年代のデータロギングへのアプローチは存続しましたが、車両内の他のサブシステムは何世代にもわたって進歩してきました。
一部には、メモリがEDR設計の中心と見なされていないため、この状況が存在します。その結果、EEPROMとフラッシュの制限により、今日のEDRの機能が制限されています。この記事では、この認識に対処し、EDRが現在および将来の車両の信頼性要件を満たすことができるように、データロギングを進めるための代替ソリューションを検討します。
EDRの設計変更を推進しているのは何ですか？
ほとんどのクラスの自動車でEDRの使用を義務付けるヨーロッパと中国の新しい規制は、EDR設計に新たな焦点を追加しています。 EDRは長い間義務付けられてきたという一般的な誤解がありますが、それは真実ではありません。今日でも、北米はEDRの使用を義務付けていません。それにもかかわらず、EDRの使用は自動車メーカーによって広く採用されており、北米ではほぼ遍在しています。ヨーロッパと中国は、特定のカテゴリーの車両にEDRを義務付けることにより、さらに一歩進んでいます。今日の車両では、重要なデータのソースが増加しており、規制により、より良い意思決定のために大量のデータストレージが要求されています。
規制とは別に、自動運転車のパラメータの増加に対応する必要もあります。たとえば、L2 +の部分自動運転車（SAEレベルの運転自動化による）では、システムがセンサーと画像データを保存する方法が他にもあります。しかし、単一のシステムで重大なイベント、特にクラッシュの全体像を把握することはできません。そのため、イベントを分析するときにADASストレージとEDRの間の同期を確立するために、ADASからの一部のデータをEDRに保存することが不可欠になります。
既存の設計における課題
既存のEDR設計を調べて、新しい規制を採用する際の課題を理解しましょう。図1は、典型的なエアバッグ制御とEDR設計を示しています。
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図1：一般的なEDR設計。 （出典：サイプレスセミコンダクター）
EDR /エアバッグコントローラーは、車両の速度と加速度の急激な変化を監視して、イベントの開始を識別します。イベントが検出されると、EDRは複数のパフォーマンスおよび安全パラメータに関するデータを収集します。イベントのタイプと重大度に応じて、EDRコントローラーは、イベントの進行中またはイベントの終了後にレコードをログに記録することを決定します。一般的に、衝突時には主砲が遮断され、EDRコントローラーへの電力はバックアップコンデンサーから供給されると想定されます。したがって、データログはバックアップコンデンサから電力を供給されます。
アーキテクチャをさらに深く掘り下げると、現在のEDRがEEPROMまたはデータフラッシュ不揮発性メモリを使用してデータを保存していることがわかります。これらのメモリはページベースの書き込みを使用し、書き込み耐久性が低いため（10 6 未満） 書き込みサイクル）、EDRコントローラーは、データをローカルに保存するために、1つのEDRレコードのサイズに相当するRAMバッファーを予約します。 RAMバッファはMCU内に8KBから16KBの範囲のサイズで配置され、データが不揮発性メモリに書き込まれる前に一時的にデータをバッファリングします。サンプリングは通常、イベントがトリガーされてから250ミリ秒後に終了します。その後、RAMバッファの内容が不揮発性メモリに転送されます。 EEPROMとデータフラッシュの書き込み速度が遅いため、このプロセスは16KBのデータを保存するのに数百ミリ秒から1秒かかる場合があります。プロセス全体を図2に示します。
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図2：EEPROM /データフラッシュを使用した典型的なEDRデータロギングの例。 （出典：サイプレスセミコンダクター）
バックアップコンデンサは、転送全体に電力を供給するのに十分なエネルギーを提供するように設計する必要があります。コンデンサは、エアバッグ展開に電力を供給するためにも使用されます。もちろん、EDRコントローラーの主な仕事は、エアバッグを展開して乗員を保護することです。したがって、十分なバックアップエネルギーがない状況では、データを不揮発性メモリに記録するよりもエアバッグの展開が優先されます。したがって、データをログに記録するためにバックアップ容量に依存すると、データが危険にさらされます。最悪の場合、事故時にスルーホールのバックアップコンデンサがボードから飛び出し、動作全体が危険にさらされる可能性があります。
別の考慮事項として、データロギングの場合、EEPROMとデータフラッシュ不揮発性メモリを使用すると複雑さが増します。不揮発性メモリへのデータ転送は、常に安定しているとは限らないバックアップコンデンサを使用して行われるため、書き込みプロセスのデータ整合性を保証する必要があります。最も簡単な方法はチェックサムですが、ファームウェアに時間と複雑さが加わります。
F-RAMメモリを備えた新しいアーキテクチャ
F-RAMを外部不揮発性メモリとして使用すると、まったく異なるデータロギングアーキテクチャが可能になります。 F-RAMはボード上のコンポーネントをドロップインで置き換えるだけなので、図3のブロック図からは明らかではない場合があります。ただし、システムレベルでメリットを簡単に確認できる別のファームウェアアーキテクチャの開発が可能です。
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図3：F-RAMを使用したEDR設計。 （出典：サイプレスセミコンダクター）
F-RAMテクノロジーは、瞬時の非揮発性と事実上無限の耐久性を組み合わせた高速ランダムアクセス書き込みを提供します。これにより、マイクロコントローラーのRAMバッファーがEDRレコードを一時的に保持する必要がなくなります。 EDRファームウェアは、F-RAMのメモリを複数のEDRレコードに分割できます。 1つのレコードは常に作業メモリーであり、残りは空であるか、イベントデータでロックされています。データは、ローリングバッファ内の動作中のEDRメモリに継続的にログインできます。
ローリングバッファアーキテクチャを理解するために、動作中のEDRメモリが10秒間データを保持できるとしましょう。 10秒以内にイベントが発生しない場合、作業メモリー内のデータは新しいデータで上書きされます。これは、F-RAMの実質的に無限の耐久性のために可能です。これは、イベント中に、EDRコントローラーがイベントの重大度を評価し、データをログに記録するかどうかを決定しているときに、図4に示すようにデータがすでに不揮発性F-RAMに保存されていることを意味します。
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図4：F-RAMを使用した典型的なEDRデータロギングの例。 （出典：サイプレスセミコンダクター）
イベントの終了時に、EDRコントローラーが行う必要がある唯一の決定は、ログを保持するか、ログを上書きするかです。イベントがレコードを保持するのに十分なほど深刻な場合、EDRコントローラーは作業メモリーをEDRイベントレコードにロックし、次のイベントを見越して作業メモリーとしてF-RAMの新しいバッファーを使用します。ファームウェアのフローを図5に示します。
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図5：F-RAMを使用したEDRデータロギングの一般的なファームウェアフロー。 （出典：サイプレスセミコンダクター）
もう1つの利点は、EDRデータストレージがバックアップコンデンサに依存しない別個のイベントであるということです。 EDRシステムは、データの整合性が損なわれないことを保証しながら、より小さなコンデンサで動作できます。メモリとストレージを管理するためのマイクロコントローラのファームウェアの複雑さも軽減されます。表1に、2つのアーキテクチャの比較を示します。
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表1：使用中の不揮発性メモリに基づくEDRアーキテクチャの比較。 （出典：サイプレスセミコンダクター）
データログの需要が高まるにつれてEDRを実装するための規制が義務付けられているため、データが失われる可能性を設計から除外し、データの整合性を高めるためのより安全で信頼性の高いアーキテクチャを採用する必要があります。 F-RAMテクノロジは、EDRなどのミッションクリティカルなアプリケーション向けに特別に開発されました。 F-RAMベースのアーキテクチャは、最先端の自動車需要向けに構築された次世代EDRの厳しい要件を満たします。
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ハーシャメドゥ サイプレスセミコンダクタのシニアスタッフアプリケーションエンジニアです。彼は、さまざまな不揮発性メモリ製品の設計とアプリケーションの側面に取り組み、新製品に基づいてシステムソリューションを定義しました。彼は、電子通信の工学士号と経営学修士号を取得しています。 >
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