汽車黑匣子EDR系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車銷量與日俱增，給人們帶來出行方便的同時，各類交通事故的發(fā)生率也越來越高。為了真實還原事故原因，認定各方事故責任，可重現(xiàn)事故過程的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng) EDR (Event Data Recorder) 應運而生。

EDR，俗稱 “汽車黑匣子”。它主要記錄車輛在碰撞前、碰撞時、碰撞后三個不同階段中汽車的關(guān)鍵運行數(shù)據(jù)，例如行車速度、方向盤轉(zhuǎn)向速度、車輛制動狀態(tài)等參數(shù)，為交通事故的調(diào)查分析提供客觀、準確的數(shù)據(jù)。本文基于 EDR 的結(jié)構(gòu)功能，為大家介紹其各功能模塊的硬件設(shè)計方案。

EDR 的總體結(jié)構(gòu)

上文提及 EDR 是用來記錄車輛發(fā)生事故時的行車數(shù)據(jù)，其參數(shù)信息主要來自 CAN 總線和其他傳感器。EDR 系統(tǒng)主要由碰撞傳感器、CAN 通信模塊、控制存儲單元等部分構(gòu)成，各個子模塊之間的關(guān)聯(lián)如下圖 (圖1) 所示：

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ADI 加速度傳感器

車輛在事故碰撞過程中，會產(chǎn)生很大的沖擊，要有效地采集到碰撞時刻的狀態(tài)信息，需要高量程的加速度測量范圍。在 EDR 應用中首選的加速度傳感器正是 ADI ADXL314，其功能結(jié)構(gòu)為下圖 (圖2) 所示。該產(chǎn)品主要特征如下：

測量范圍 ±200g

10,000g 沖擊生存能力

電源電壓范圍: 2.0V 至 3.6V

寬溫度范圍: ?40 至 +125°C

AEC-Q100 適用于汽車應用

固定 13 位可編程輸出分辨率

用戶可選帶寬高達 3200Hz ODR

SPI (3 線或 4 線) 和 I2C 數(shù)字接口

小型纖薄封裝: 32 引腳 5mm × 5mm × 1.45mm LFCSP

使用 FIFO 技術(shù)的嵌入式存儲器管理系統(tǒng)，可將主機處理器負載降至最低

低功耗: VS = 2.5V (典型值) 時，測量模式下為 170μA，待機模式下為 17μA

圖2 ADXL314 功能結(jié)構(gòu)

ADI CAN 收發(fā)器模塊

EDR 控制存儲單元需要采集車輛的較多數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)來源看，大多數(shù)涉及到整車多個電子控制系統(tǒng)，如發(fā)動機管理系統(tǒng)、防抱制動系統(tǒng)、電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)、安全氣囊控制器、車身控制器、輪胎壓力檢測系統(tǒng)等。而這些參數(shù)均可通過 CAN 數(shù)據(jù)總線獲取，因此 EDR 系統(tǒng)中需要 CAN 接口芯片來完成信號傳遞。

ADI 公司推出的 ADM3053 是信號和電源隔離式 CAN 收發(fā)器，集成隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。該器件采用 ADI 公司的 iCoupler 技術(shù)，將雙通道隔離器、CAN 收發(fā)器和 ADI isoPower DC/DC 轉(zhuǎn)換器集成于單個 SOIC 表貼封裝中。片內(nèi)振蕩器輸出一對方波，以驅(qū)動內(nèi)部變壓器提供隔離電源。該器件采用 5V 單電源供電，提供完全隔離的 CAN 解決方案。ADM3053 的功能結(jié)構(gòu)如下圖 (圖3) 所示：

圖3 ADM3053 功能結(jié)構(gòu)

ADI 電源模塊

EDR 系統(tǒng)對電源的可靠性和低功耗具有較高要求，輸入電源一般為 12V 電池，在車輛啟停瞬間會產(chǎn)生較高的尖峰，因此第一級電源需要具有寬輸入電壓范圍，其次要求低功耗。系統(tǒng)電源需求主要是 5V/3.3V，如加速度計需要 3.3V 供電、CAN 接口模塊需要 5V 供電。

ADI 推出的 LT8606 具有 2.5μA 靜態(tài)電流的 42V、350mA 同步降壓型穩(wěn)壓器，可用于前級 12V 轉(zhuǎn) 5V 要求，LT8606 典型電路如下圖 (圖4) 所示。

圖4 LT8606 典型電路

后級 5V 轉(zhuǎn) 3.3V，可使用 ADI 的 LT3042，它是 20V、200mA、超低噪聲、超高 PSRR RF 線性穩(wěn)壓器，LT3042 典型的電路如下圖 (圖5) 所示：

圖5 LT3042 典型電路

英飛凌控制存儲模塊

控制存儲單元是 EDR 硬件系統(tǒng)的核心，它要求能夠接收加速度計的信號以及車輛 CAN 總線狀態(tài)，且存儲于自身 RAM 存儲器，并鎖定于片上 Flash 存儲器中，這就需要控制單元具有較快的處理速度和較大的 RAM和 Flash 空間。

英飛凌 (Infineon) 公司推出的 SAK-XC2267M-104F80LR AB 微控制芯片非常適合用于 EDR 控制系統(tǒng)。XC2267M 最高工作頻率為 80MHz，其存儲器模塊包括 16KB 片上 PSRAM、16KB 片上 DSRAM 以及高達 832KB 片上 Flash 程序存儲器，能滿足數(shù)據(jù)存儲空間要求，同時支持外圍適配 SPI、I2C、CAN 通信接口。

完整硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)

各功能模塊以控制存儲單元為中心，按照模塊化的方式進行設(shè)計集成，可以實現(xiàn)完整的 EDR 硬件系統(tǒng)，并進行調(diào)試，該設(shè)計滿足 EDR 系統(tǒng)要求。硬件評估平臺如下圖 (圖6) 所示：

圖6 硬件評估平臺

總結(jié) 本文介紹了 EDR 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并分析了各功能模塊的設(shè)計方案，通過功能模塊集成可以實現(xiàn)完整的系統(tǒng)方案。EDR 系統(tǒng)對交通事故的現(xiàn)場調(diào)查取證，提供準確、客觀的數(shù)據(jù)依據(jù)有極大幫助作用，使得探究系統(tǒng)開發(fā)方案具有重要意義。