자동차 시스템의 안정적인 데이터 로깅을 위한 새로운 요구 사항 충족

종종 블랙박스라고 불리는 이벤트 데이터 레코더(EDR)는 자동차 전자 제품에서 새로운 것이 아닙니다. EDR은 거의 50년 동안 자동차의 데이터를 기록해 왔습니다. 이 기간 동안 자동차 내부의 전자 장치는 비약적으로 발전했습니다. 그리고 자율주행 기술에 대한 많은 연구가 진행되면서 더 많은 변화가 올 것입니다.

자동차 전자 장치의 이러한 발전은 EDR 데이터 로깅과 관련된 문제를 상당히 증가시켰습니다. 따라서 지난 몇 년 동안 기본 EDR 설계가 변경되지 않은 것은 놀라운 일입니다. 초기 GM 에어백 컨트롤러의 분해는 오늘날의 EDR에 사용되는 데이터 로깅 아키텍처와 상당히 유사합니다. 그런 다음 EDR은 첫 번째 데이터를 비휘발성 메모리에 기록하기 전에 이벤트가 트리거될 때까지 기다립니다. 1970년대 데이터 로깅에 대한 접근 방식은 계속 유지되었지만 차량 내의 다른 하위 시스템은 여러 세대에 걸쳐 발전했습니다.

부분적으로 이러한 상황은 메모리가 EDR 설계의 중심으로 간주되지 않았기 때문에 존재합니다. 결과적으로 EEPROM과 Flash의 한계는 오늘날 EDR의 기능을 제한했습니다. 이 기사에서 우리는 이러한 인식을 다루고 EDR이 현재와 미래의 차량의 신뢰성 요구 사항을 충족할 수 있도록 데이터 로깅을 발전시키는 대안 솔루션을 탐색할 것입니다.

EDR의 설계 변경을 주도하는 것은 무엇입니까?

대부분의 자동차 등급에서 EDR 사용을 의무화하는 유럽과 중국의 새로운 규정은 EDR 설계에 새로운 초점을 추가하고 있습니다. EDR이 오랫동안 의무적이라는 일반적인 오해가 있지만 그것은 사실이 아닙니다. 오늘날에도 북미에서는 EDR 사용을 의무화하지 않습니다. 그럼에도 불구하고 EDR의 사용은 자동차 제조업체에서 널리 채택되었으며 북미에서는 거의 보편적입니다. 유럽과 중국은 특정 범주의 차량에 EDR을 의무화함으로써 한 단계 더 나아가고 있습니다. 오늘날의 차량에서는 중요한 데이터의 소스가 증가하고 규정에 따라 더 나은 의사 결정을 위해 더 많은 양의 데이터 스토리지가 필요합니다.

규제 외에도 자율주행 차량의 증가된 매개변수를 수용해야 할 필요성도 있습니다. 예를 들어, L2+ 부분 자율 차량(주행 자동화의 SAE 수준에 따라)에서는 시스템이 센서 및 이미지 데이터를 저장할 수 있는 더 많은 방법이 있습니다. 그러나 어떤 단일 시스템도 중요한 사건, 특히 충돌에 대한 완전한 그림을 제공할 수 없습니다. 따라서 이벤트 분석 시 ADAS 스토리지와 EDR 간의 동기화를 설정하기 위해 ADAS의 일부 데이터를 EDR에 저장하는 것이 필수적입니다.

기존 디자인의 문제점

기존 EDR 설계를 검토하고 새로운 규정을 채택할 때의 어려움을 이해해 보겠습니다. 그림 1은 일반적인 에어백 제어 및 EDR 설계를 보여줍니다.

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그림 1:일반적인 EDR 설계. (출처:Cypress Semiconductor)

EDR/에어백 컨트롤러는 차량 속도 및 가속도의 급격한 변화를 모니터링하여 이벤트의 시작을 식별합니다. 이벤트가 감지되면 EDR은 여러 성능 및 안전 매개변수에 대한 데이터를 수집합니다. 이벤트의 유형과 심각도에 따라 EDR 컨트롤러는 이벤트가 진행되는 동안 또는 이벤트가 끝난 후에 기록을 기록하기로 결정합니다. 일반적으로 충돌 시 주 배터리가 차단된 것으로 가정하고 백업 커패시터를 통해 EDR 컨트롤러에 전원을 공급합니다. 따라서 데이터 로그는 백업 커패시터에 의해 전원이 공급됩니다.

아키텍처에 대한 심층 분석은 현재 EDR이 EEPROM 또는 데이터 플래시 비휘발성 메모리를 사용하여 데이터를 저장함을 보여줍니다. 이러한 메모리는 페이지 기반 쓰기를 사용하고 쓰기 내구성이 낮기 때문에(10 ⁶ 미만) 쓰기 주기), EDR 컨트롤러는 데이터를 로컬에 저장하기 위해 하나의 EDR 레코드 크기와 동일한 RAM 버퍼를 예약합니다. RAM 버퍼는 비휘발성 메모리에 쓰기 전에 데이터를 일시적으로 버퍼링하기 위해 8KB에서 16KB 사이의 크기로 MCU 내에 있습니다. 샘플링은 일반적으로 이벤트가 트리거된 후 250ms 후에 종료됩니다. 그 후 RAM 버퍼의 내용은 비휘발성 메모리로 전송됩니다. EEPROM과 데이터 플래시의 느린 쓰기 속도 때문에 이 프로세스는 16KB의 데이터를 저장하는 데 수백 밀리초에서 1초까지 걸릴 수 있습니다. 전체 프로세스는 그림 2에 나와 있습니다.

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그림 2:EEPROM/데이터 플래시를 사용한 일반적인 EDR 데이터 로깅의 예. (출처:Cypress Semiconductor)

백업 커패시터는 전체 전송에 전력을 공급하기에 충분한 에너지를 제공하도록 설계되어야 합니다. 커패시터는 또한 에어백 전개에 전력을 공급하는 데 사용됩니다. 물론 EDR 컨트롤러의 주요 임무는 에어백을 전개하고 탑승자를 보호하는 것입니다. 따라서 백업 에너지가 충분하지 않은 상황에서는 데이터를 비휘발성 메모리에 기록하는 것보다 에어백 전개가 우선시됩니다. 따라서 데이터를 기록하기 위해 백업 커패시턴스를 사용하면 데이터가 위험에 처하게 됩니다. 최악의 경우 사고 중에 스루홀 백업 커패시터가 보드에서 튀어나와 전체 작동을 위험에 빠뜨릴 수 있습니다.

데이터 로깅을 위해 EEPROM 및 데이터 플래시 비휘발성 메모리를 사용하면 복잡성이 추가될 수 있다는 또 다른 고려 사항이 있습니다. 비휘발성 메모리로의 데이터 전송은 항상 안정적이지 않을 수 있는 백업 커패시터를 사용하여 이루어지므로 쓰기 프로세스의 데이터 무결성이 보장되어야 합니다. 가장 쉬운 방법은 체크섬이지만 ​​펌웨어에 시간과 복잡성이 추가됩니다.

F-RAM 메모리가 있는 새로운 아키텍처

F-RAM을 외부 비휘발성 메모리로 사용하면 완전히 다른 데이터 로깅 아키텍처가 가능합니다. 그림 3의 블록 다이어그램에서는 F-RAM이 보드의 구성 요소를 드롭인으로 교체하기 때문에 명확하지 않을 수 있습니다. 그러나 시스템 수준에서 이점을 쉽게 볼 수 있는 다른 펌웨어 아키텍처를 개발할 수 있습니다.

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그림 3:F-RAM을 사용한 EDR 설계. (출처:Cypress Semiconductor)

F-RAM 기술은 즉각적인 비휘발성 및 사실상 무한한 내구성과 결합된 빠른 랜덤 액세스 쓰기를 제공합니다. 이것은 EDR 레코드를 임시로 보유하기 위해 마이크로컨트롤러의 RAM 버퍼에 대한 필요성을 제거합니다. EDR 펌웨어는 F-RAM의 메모리를 여러 EDR 레코드로 나눌 수 있습니다. 하나의 레코드는 항상 작업 메모리이고 나머지는 비어 있거나 이벤트 데이터로 잠겨 있습니다. 데이터는 롤링 버퍼에서 지속적으로 작동하는 EDR 메모리에 기록될 수 있습니다.

롤링 버퍼 아키텍처를 이해하기 위해 작동 중인 EDR 메모리가 10초 동안 데이터를 보유할 수 있다고 가정해 보겠습니다. 10초 동안 이벤트가 없으면 작업 메모리의 데이터를 새로운 데이터로 덮어씁니다. 이것은 F-RAM의 거의 무한한 내구성 때문에 가능합니다. 즉, 이벤트 중에 EDR 컨트롤러가 여전히 이벤트의 심각도를 평가하고 데이터를 기록할지 여부를 결정할 때 데이터는 그림 4와 같이 이미 비휘발성 F-RAM에 저장되어 있습니다.

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그림 4:F-RAM을 사용한 일반적인 EDR 데이터 로깅의 예. (출처:Cypress Semiconductor)

이벤트가 끝나면 EDR 컨트롤러가 내려야 하는 유일한 결정은 로그를 유지할지 아니면 로그를 덮어쓸지 여부입니다. 이벤트가 기록을 유지할 만큼 심각한 경우 EDR 컨트롤러는 작업 메모리를 EDR 이벤트 레코드로 잠그고 다음 이벤트를 예상하여 F-RAM의 새 버퍼를 작업 메모리로 사용합니다. 펌웨어 흐름은 그림 5에 나와 있습니다.

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그림 5:F-RAM을 사용한 EDR 데이터 로깅을 위한 일반적인 펌웨어 흐름. (출처:Cypress Semiconductor)

다른 장점은 EDR 데이터 스토리지가 백업 커패시터에 의존하지 않는 별도의 이벤트라는 것입니다. EDR 시스템은 데이터 무결성이 손상되지 않도록 보장하면서 더 작은 커패시터로 작동할 수 있습니다. 메모리 및 스토리지를 관리하기 위한 마이크로컨트롤러의 펌웨어 복잡성도 감소합니다. 표 1은 두 아키텍처를 비교한 것입니다.

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표 1:사용 중인 비휘발성 메모리를 기반으로 한 EDR 아키텍처 비교. (출처:Cypress Semiconductor)

데이터 로그에 대한 수요가 증가함에 따라 EDR을 구현하기 위한 필수 규정과 함께 데이터 손실 가능성은 설계에서 제거되어야 하며 더 나은 데이터 무결성을 위한 더 안전하고 신뢰할 수 있는 아키텍처를 수용해야 합니다. F-RAM 기술은 EDR과 같은 미션 크리티컬 애플리케이션을 위해 특별히 개발되었습니다. F-RAM 기반 아키텍처는 가장 진보된 자동차 요구 사항을 위해 특별히 제작된 차세대 EDR의 까다로운 요구 사항을 충족합니다.

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