車載事故數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的研究與設計

張云云 韓躍平

摘 要：車載事故以往的數(shù)據(jù)記錄大多記錄安全氣囊控制模塊的數(shù)據(jù)信息，信息單一，并且各制造商數(shù)據(jù)記錄的格式各不相同，該數(shù)據(jù)僅用于對安全氣囊方面的改進。本設計出于對事故碰撞的成因進行科學分析取證，及對事故再現(xiàn)的研究，設計了EDR碰撞事故數(shù)據(jù)記錄儀。該數(shù)據(jù)記錄儀能夠全面準確地反映碰撞發(fā)生時車輛的運行狀態(tài)。記錄儀采用C語言編寫程序，CAN總線通信，用FLASH存儲目標數(shù)據(jù)。通過對記錄儀進行系統(tǒng)測試，發(fā)現(xiàn)所存數(shù)據(jù)與采集到的目標數(shù)據(jù)一致，且沒有數(shù)據(jù)丟失，達到了預期設計目標。本設計為后續(xù)的車輛事故數(shù)據(jù)記錄研究提供了數(shù)據(jù)支持。

關鍵詞：事故再現(xiàn);數(shù)據(jù)記錄;EDR;記錄儀;CAN總線;FLASH;數(shù)據(jù)存儲

中圖分類號：TP391;TN806文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-03

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，汽車成為日常出行的重要工具，汽車行業(yè)的發(fā)展也進入鼎盛時期。汽車的增長速度已經(jīng)超過了人口的增長速度，由此引發(fā)了交通擁堵、交通事故等各種安全隱患[1]。傳統(tǒng)的事故分析大多根據(jù)車速、行車記錄儀、攝像頭，再結合人員的工作經(jīng)驗來分析事故的成因，因而缺乏直接的數(shù)據(jù)支持，導致對事故分析過于片面，分析結果不準確等。

研究學者依據(jù)飛機“黑匣子”的原理研制出車輛事故數(shù)據(jù)記錄儀（Event Data Recorder，EDR），該記錄儀用于記錄事故前后車輛的行駛參數(shù)，以及駕駛員采取的具體操作。EDR數(shù)據(jù)包括車輛速度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、安全帶使用情況、制動踏板情況、日期等[2-3]。當車輛發(fā)生碰撞時，通過分析EDR數(shù)據(jù)，可以客觀地分析車輛的運行參數(shù)，不僅為司法機構公正、高效地執(zhí)法提供了有力的數(shù)據(jù)支持，也為道路事故重現(xiàn)研究提供了技術支持[4]。事故的再現(xiàn)分析對事故責任確定、車輛的安全性改進以及道路的合理設計具有重要意義[5]。

1 系統(tǒng)整體設計

本車輛數(shù)據(jù)事故記錄儀EDR可以記錄八十多項數(shù)據(jù)，比如車輛速度、駕駛員安全帶狀態(tài)、轉(zhuǎn)向信號開關狀態(tài)、制動踏板位置等。中央控制器將數(shù)據(jù)記錄儀所需的目標信息以約定的頻率發(fā)送到CAN總線上，數(shù)據(jù)記錄儀EDR根據(jù)預定的通信協(xié)議通過CAN總線獲取所需的信息，將目標信息解析壓縮后存儲在FLASH中[6]。車輛事故數(shù)據(jù)記錄儀EDR系統(tǒng)主要包括接收信號、處理信號和存儲數(shù)據(jù)。通常EDR信號處理多在ECU中完成，由傳感器完成數(shù)據(jù)采集，由FLASH完成數(shù)據(jù)的存儲和刪除。車輛事故數(shù)據(jù)記錄儀的硬件組成如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

本車輛事故數(shù)據(jù)記錄儀EDR的硬件部分主要包括主控芯片、單片機、電源模塊、FLASH存儲模塊和CAN通信模塊。其中主控芯片采用S32K144，可以通過汽車CAN數(shù)據(jù)總線接收和發(fā)送實時數(shù)據(jù)，并通過各個模塊工程時序?qū)崿F(xiàn)整個EDR事故數(shù)據(jù)的保存[7]。當事故發(fā)生后，可以通過提取ECU部件，借助于EDR數(shù)據(jù)讀取工具，讀取FLASH中的相關數(shù)據(jù)，進行事故重建。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

2.1 電源模塊

在車輛事故數(shù)據(jù)記錄儀EDR系統(tǒng)中，電源性能好壞直接關系記錄儀能否正常工作。因此，電源設計要考慮功率、抗干擾性、電平等問題。電源要有較寬的電壓輸入范圍和較大輸出電流。微控制器、CAN收發(fā)器等均需要5 V電源，F(xiàn)LASH存儲器則需要3.3 V電壓。為此，采用三端可調(diào)的精密可控穩(wěn)壓源TL431能將5 V電壓轉(zhuǎn)化成3.3 V電壓[8]。電源模塊硬件電路如圖3所示。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊主要用于檢測車輛碰撞的閾值，當碰撞觸發(fā)閾值時，CAN通信模塊開始接收目標數(shù)據(jù)。本設計采用SMA660傳感器。該傳感器用作乘客車廂安全氣囊控制單元的中央加速度計，為汽車安全應用中的碰撞傳感而設計。SMA660是一種平面內(nèi)雙通道（X軸和Y軸）MEMS加速度計，為微控制器評估提供加速度數(shù)據(jù)。SMA660的數(shù)字標準串行外設接口（SPI）允許雙向數(shù)據(jù)傳輸[9]。傳感器模塊電路如圖4所示。

2.3 CAN通信模塊

車輛事故數(shù)據(jù)記錄儀EDR采用CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，存儲在FLASH中的數(shù)據(jù)既可以上傳，也可以下載。CAN總線的應用大幅節(jié)約了成本，使車輛更加智能化，并且使得故障檢測和維修變得更加方便[10]。CAN通信模塊電路如圖5所示，其中UJA1042T是收發(fā)器，用于電平轉(zhuǎn)換[11]，0 V和5 V為CAN上的差分信號。電路中的PESD1CAN是CAN總線ESD保護二極管，它的主要作用是保護兩條汽車CAN總線線路免受ESD和浪涌脈沖造成的損壞。ESD保護可達23 kV。

2.4 FLASH存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊主要采用的是S32K144芯片內(nèi)部集成的FLASH，并將其作為記錄儀存儲器。該FLASH以扇區(qū)為基本組織單元，內(nèi)建擦除與寫入算法，大大簡化了編程的復雜性。為防止意外擦除或?qū)懭氩僮鱗12]，它建立有保護機制，可滿足系統(tǒng)的要求。

3 軟件設計

3.1 軟件的總體設計

一旦發(fā)動汽車，EDR系統(tǒng)就會上電，其主要目的就是實現(xiàn)中斷功能的開啟，進行系統(tǒng)初始化。CAN通信模塊主要是對CAN總線所對應報文進行處理和接收。目標數(shù)據(jù)最終存于FLASH中，便于上位機分析。記錄儀通信模塊流程如圖6所示。

3.2 CAN總線發(fā)送

CAN報文的發(fā)送根據(jù)協(xié)議格式來完成。在CAN總線空閑的情況下，通過配置寄存器的相應位來清空標志位，設置報文ID、報文長度以及報文格式（標準格式或擴展格式），然后配置發(fā)送請求，將發(fā)送緩沖區(qū)配置為激活狀態(tài)以發(fā)送數(shù)據(jù)。當發(fā)送緩沖區(qū)MB被激活以后，它將參與仲裁過程，并最終根據(jù)其優(yōu)先級進行傳輸。CAN報文的發(fā)送流程如圖7所示。

3.3 FLASH的寫操作命令

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣頻率高達1 kHz，這些實時數(shù)據(jù)是分析汽車事故發(fā)生原因的重要依據(jù)。FLASH存儲器所存儲的內(nèi)容一般需要通過FLASH命令來執(zhí)行，F(xiàn)LASH寫入操作命令流程如圖8所示。

4 測試結果分析

4.1 CAN通信模塊測試

分別檢測記錄儀在供電電壓為13.5 V時，其顯性位和隱性位輸出電壓VCAN_H、VCAN_L、VDiff、VCom是否在測試值范圍內(nèi)。顯性電平和隱性電平是CAN通信物理層測試的核心，只有顯性電平和隱性電平在正常范圍內(nèi)才可以進行正常通信。顯性電平測試結果如圖9所示。隱性電平測試結果如圖10所示。測試結果表明，記錄儀的顯性位和隱性位輸出電壓VCAN_H、VCAN_L、VDiff、VCom均在正常范圍內(nèi)，該記錄儀可以正常通信。

4.2 FLASH存儲性能測試

FLASH存儲性能的好壞直接影響記錄儀存儲數(shù)據(jù)的完整性，為此對FLASH進行存儲性能測試。測試完成后存儲在FLASH中的數(shù)據(jù)如圖11所示。測試結果表明，記錄儀可以完整記錄目標數(shù)據(jù)，并且沒有數(shù)據(jù)丟失。

5 結 語

車輛事故數(shù)據(jù)記錄儀EDR能夠高密度、快速地記錄汽車發(fā)生事故前后的實時數(shù)據(jù)，可以說是安全氣囊功能的一種有效擴展，為交通事故的調(diào)查和判斷提供了有力的數(shù)據(jù)支撐;此外，車輛事故數(shù)據(jù)記錄儀EDR的相關數(shù)據(jù)重建事故現(xiàn)場，還可以解讀事故發(fā)生的原因，評定責任，最大限度保證人民的生命和財產(chǎn)安全[5]。目前，EDR已經(jīng)得到成熟有效運用，許多國家已經(jīng)頒布并實施了相關法律。因此，加強EDR系統(tǒng)設計的研究，引導行業(yè)重視事故數(shù)據(jù)記錄，進一步提高道路交通安全水平[13]，都有著重要的時代意義和價值。

注：本文通訊作者為張云云。

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