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EE架構(gòu)演變和工業(yè)機(jī)器人對(duì)F-RAM存儲(chǔ)器新需求
2023-04-12 387次

隨著汽車工業(yè)研發(fā)的不斷發(fā)展和汽車電子EE架構(gòu)本身的演變,區(qū)域計(jì)算率得到了提高,并與云計(jì)算相結(jié)合。在此背景下,邊緣計(jì)算的處理已成為下一代智能汽車的必要條件。復(fù)雜高效的數(shù)據(jù)共享能力和車輛內(nèi)外集成系統(tǒng)是各汽車公司投資的垂直集成技術(shù)。關(guān)鍵信息需要可再現(xiàn)事故過程的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)EDR(EventDataRecorder)寫下來,這個(gè)俗稱“汽車黑匣子”,主要記錄汽車在撞擊前、撞擊時(shí)、撞擊后三個(gè)階段的關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù),如行駛速度、方向盤轉(zhuǎn)向速度、車輛制動(dòng)狀態(tài)等參數(shù),為交通事故的研究分析提供客觀準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

  汽車電子技術(shù)的發(fā)展,使得電子系統(tǒng)需要使用存儲(chǔ)器,那么在這里存儲(chǔ)到底有哪些作用呢?哪些存儲(chǔ)器值得大家關(guān)注和選擇呢?

  

 

1 EDR下的汽車存儲(chǔ)器需求

 

  1、汽車的記錄要求

  EDR:即Event Data Recorder,指汽車事件數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng),用于記錄車輛碰撞前、碰撞時(shí)、碰撞后三個(gè)階段中汽車的運(yùn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)。EDR 是用來記錄車輛發(fā)生事故時(shí)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(chǔ)單元等部分構(gòu)成,而汽車?yán)锩嬗写罅康年P(guān)鍵數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ),這些數(shù)據(jù)對(duì)于事故的追蹤中扮演著尤其重要的作用。

控制存儲(chǔ)單元是 EDR 硬件系統(tǒng)的核心,它要求能夠接收加速度計(jì)的信號(hào)以及車輛 CAN 總線狀態(tài),且存儲(chǔ)于自身 RAM 存儲(chǔ)器,并鎖定于片上 Flash 存儲(chǔ)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。

 

  2、汽車的存儲(chǔ)要求

  這個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的存儲(chǔ)器要應(yīng)對(duì)很高的要求。首先也是最重要的是,存儲(chǔ)系統(tǒng)必須能夠在車輛事故中保存下來——由于碰撞可能導(dǎo)致汽車的低壓系統(tǒng)斷電,存儲(chǔ)需要一種無(wú)需連接電源即可保存數(shù)據(jù)的原生非易失性存儲(chǔ)器。除此之外,記錄數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)必須滿足一些嚴(yán)格的條件。

  2.1 汽車存儲(chǔ)器的基本要求

  1)非易失性:這是基本要求,數(shù)據(jù)得記下來

  2)惡劣環(huán)境下的生存性:碰撞以后,存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)得保存下來

  3)工作時(shí)間和壽命:汽車的生命周期很長(zhǎng),在車舊了以后存儲(chǔ)器也需要能工作

  4)低功耗:如果功耗太高,對(duì)于設(shè)計(jì)保存機(jī)制會(huì)存在困難

  5)刷寫快:碰撞的時(shí)間很短,如果電源斷電,數(shù)據(jù)需要快速寫上去

  2.2 不同特性的差異在哪里?

  現(xiàn)在的存儲(chǔ)器件對(duì)快速刷寫的特性要求越來越高,從Flash、EEPROM到F-RAM,汽車存儲(chǔ)器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在不斷變化,主要的維度還是更快的刷寫。對(duì)于自動(dòng)輔助駕駛系統(tǒng)而言,把數(shù)據(jù)快速存下來很方便。F-RAM存儲(chǔ)器(結(jié)合了RAM和ROM的優(yōu)勢(shì))比EEPROM擁有更多優(yōu)勢(shì),主要是不需要寫等待時(shí)間,幾乎可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)重要數(shù)據(jù)(實(shí)際10us存儲(chǔ)時(shí)間);相比之下,EEPROM通常需要超過10毫秒的寫入等待時(shí)間。

  當(dāng)然在這種應(yīng)用中,具備無(wú)寫延遲和高速時(shí)鐘速度也是必要的,才能適合需要快速寫入大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用。把一個(gè)或兩個(gè)字節(jié)寫入存儲(chǔ)器的隨機(jī)位置時(shí),寫入周期約為1微秒,對(duì)比EEPROM或閃存,大概需要5-10毫秒的寫入周期。

  

 

  圖2 F-RAM 與EEPROM 寫數(shù)據(jù)的對(duì)比


  FRAM(Ferroelectric RAM)存儲(chǔ)單元的基本原理是鐵電效應(yīng),是應(yīng)用鐵電薄膜的自發(fā)性極化形式儲(chǔ)存的鐵電存儲(chǔ)器件,由于FRAM通過外部電場(chǎng)控制鐵電電容器的自發(fā)性極化。

  

 

  圖3 FRAM技術(shù)

  源自浮柵技術(shù)的傳統(tǒng)可寫非易失性存儲(chǔ)器使用電荷泵來開發(fā)片上高壓,通過讓載流子通過柵氧化層,寫入延遲長(zhǎng),寫入功率高,寫入操作實(shí)際上對(duì)存儲(chǔ)單元具有破壞性。浮柵器件無(wú)法支持超過10^6次訪問的寫入,F(xiàn)RAM的寫入次數(shù)可達(dá)10^10次方,與EEPROM的10^6次相比,高出1萬(wàn)倍以上。

FRAM在寫入速度和功率方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于浮柵器件。對(duì)于時(shí)鐘頻率為20MHz的典型串行EEPROM,寫入256位(32字節(jié)頁(yè)面緩沖區(qū))需要5毫秒,寫入整個(gè)64Kb需要1283.6毫秒。對(duì)于等效的FRAM,256位僅需14μs,寫入整個(gè)64Kb僅需3.25ms。此外,將64Kb寫入EEPROM需要3900μJ,而將64Kb寫入F-RAM需要17μJ,相差超過229倍。

 

  3、Excelon F-RAM存儲(chǔ)器

  英飛凌推出具有業(yè)界最高密度全新1Mbit-16Mbit的 Excelon F-RAM存儲(chǔ)器(鐵電存儲(chǔ)器),支持QSPI 接口, 最高可以支持時(shí)鐘為108Mhz, 讀寫速率最高為54MB/s。通過可滿足下一代汽車和工業(yè)系統(tǒng)的永久數(shù)據(jù)采集要求,從而有助于防止在惡劣的操作環(huán)境中丟失數(shù)據(jù)。

  FRAM(鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器或 FeRAM)是一種獨(dú)立的非易失性存儲(chǔ)器,可在電源中斷時(shí)立即捕獲和保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)。它們是關(guān)鍵任務(wù)數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用的理想選擇,例如需要高可靠性控制和吞吐量的高性能可編程邏輯控制器 (PLC),或延長(zhǎng)生命的患者監(jiān)護(hù)設(shè)備。F-RAM 采用低功耗、小尺寸設(shè)計(jì),可提供即時(shí)非易失性和幾乎無(wú)限的耐用性,而不會(huì)影響速度或能效。

  

 

4 對(duì)比的情況

 

  3.1汽車的應(yīng)用場(chǎng)景

  在整個(gè)使用場(chǎng)景,存儲(chǔ)器的應(yīng)用廣泛覆蓋了各種傳感器帶來的數(shù)據(jù),比如自動(dòng)輔助駕駛、儀表系統(tǒng)(里程和關(guān)鍵信息),電池管理系統(tǒng)、行車記錄儀、娛樂系統(tǒng)和網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。事實(shí)上,如果設(shè)計(jì)考究,在很多地方都可以使用這種存儲(chǔ)器。

  

 


  3.2 主要的優(yōu)點(diǎn)

FRAM憑借高速讀寫入、高讀寫耐久性、低功耗和防篡改方面的優(yōu)勢(shì),目前在汽車應(yīng)用領(lǐng)域,能找到更多的適合FRAM 的應(yīng)用,可以替代傳統(tǒng)的EEPROM產(chǎn)品。

 

  4、F-RAM 工業(yè)上的應(yīng)用

  在工業(yè)設(shè)備上,由于整個(gè)產(chǎn)品生命周期很長(zhǎng),需要長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)支持,某些產(chǎn)品應(yīng)用甚至能長(zhǎng)達(dá)20年之久。由于FRAM的可靠性比EEPROM更高,寫入次數(shù)比其他非易失性存儲(chǔ)器高幾個(gè)數(shù)量級(jí),因此在工業(yè)領(lǐng)域是更加理想的存儲(chǔ)器。以工業(yè)機(jī)器人為例,一方面可以高效、準(zhǔn)確且可重復(fù)地執(zhí)行手動(dòng)任務(wù),另一方面目前機(jī)器人開始普及用于工廠及商業(yè)設(shè)施中。智能工廠對(duì)工業(yè)機(jī)器人提出了更多的需求,需要能收集和分析有關(guān)自身的數(shù)據(jù),以提高生產(chǎn)力、服務(wù)質(zhì)量和可靠性,同時(shí)降低總體總擁有成本。

  從可靠性來看,工業(yè)機(jī)器人必須能夠從各種電源事件中恢復(fù),電源恢復(fù)以后機(jī)器人內(nèi)部的軟件系統(tǒng)已重置,機(jī)器人也可以從停止的位置立即恢復(fù)操作。每臺(tái)電機(jī)都必須能夠保存關(guān)鍵參數(shù)和數(shù)據(jù)狀態(tài),包括機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)角度和位置。同樣,控制器需要維護(hù)詳細(xì)的控制日志,記錄每個(gè)軸的操作參數(shù),包括其命令位置、編碼器值和有效載荷。此外,控制器必須保持伺服電機(jī)記錄跟蹤速度、扭矩、電機(jī)反饋傳感(即電流、位置、速度)和運(yùn)動(dòng)角度??煽康赜涗浰羞@些數(shù)據(jù)需要某種形式的非易失性存儲(chǔ)器,以便數(shù)據(jù)不會(huì)因斷電而丟失。

  這個(gè)是非常重要的應(yīng)用場(chǎng)景,在這里英飛凌FRAM產(chǎn)品包括各種接口和多種密度,像工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的串行和并行接口,工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的封裝類型,以及4Kbit~ 4Mbit等密度,有很好的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。除了在上述的工業(yè)機(jī)器人中使用,還在醫(yī)療監(jiān)護(hù)、環(huán)境監(jiān)控、飛行器、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。FRAM無(wú)需損耗均衡、外置電池、將關(guān)鍵數(shù)據(jù)保存在FRAM中的設(shè)計(jì),成為工業(yè)控制器中主流的實(shí)現(xiàn)方式;確保在任何意外發(fā)生瞬間,都可重現(xiàn)斷點(diǎn)過程數(shù)據(jù),保障設(shè)備及生產(chǎn)安全,減少損失。無(wú)電池的設(shè)計(jì)也使得設(shè)備無(wú)需進(jìn)行備件維護(hù),降低運(yùn)維成本。

  小結(jié):F-RAM 的存儲(chǔ)器的特點(diǎn)

F-RAM存儲(chǔ)器擁有無(wú)限耐用性與其實(shí)時(shí)性、非易失性、高吞吐量和可靠的數(shù)據(jù)捕獲相結(jié)合,使其成為針對(duì)汽車和工業(yè)應(yīng)用中高性能數(shù)據(jù)記錄的非易失性存儲(chǔ)器的強(qiáng)大選擇。由于F-RAM在各種掉電事故中,都能保證數(shù)據(jù)能存下來,確實(shí)是一種很好的存儲(chǔ)器選擇。

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