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车载事故数据记录系统的研究与设计

2020-12-07 08:45:44 物联网技术 2020年11期

张云云 韩跃平

摘 要:车载事故以往的数据记录大多记录安全气囊控制模块的数据信息,信息单一,并且各制造商数据记录的格式各不相同,该数据仅用于对安全气囊方面的改进。本设计出于对事故碰撞的成因进行科学分析取证,及对事故再现的研究,设计了EDR碰撞事故数据记录仪。该数据记录仪能够全面准确地反映碰撞发生时车辆的运行状态。记录仪采用C语言编写程序,CAN总线通信,用FLASH存储目标数据。通过对记录仪进行系统测试,发现所存数据与采集到的目标数据一致,且没有数据丢失,达到了预期设计目标。本设计为后续的车辆事故数据记录研究提供了数据支撑。

关键词:事故再现;数据记录;EDR;记录仪;CAN总线;FLASH;数据存储

中图分类号:TP391;TN806文献标识码:A文章编号:2095-1302(2020)11-00-03

0 引 言

随着国民经济的迅速发展,汽车成为日常出行的重要工具,汽车行业的发展也进入鼎盛时期。汽车的增长速度已经超过了人口的增长速度,由此引发了交通拥堵、交通事故等各种安全隐患[1]。传统的事故分析大多根据车速、行车记录仪、摄像头,再结合人员的工作经验来分析事故的成因,因而缺乏直接的数据支撑,导致对事故分析过于片面,分析结果不准确等。

研究学者依据飞机“黑匣子”的原理研制出车辆事故数据记录仪(Event Data Recorder,EDR),该记录仪用于记录事故前后车辆的行驶参数,以及驾驶员采取的具体操作。EDR数据包括车辆速度、发动机转速、安全带使用情况、制动踏板情况、日期等[2-3]。当车辆发生碰撞时,通过分析EDR数据,可以客观地分析车辆的运行参数,不仅为司法机构公正、高效地执法提供了有力的数据支撑,也为道路事故重现研究提供了技术支撑[4]。事故的再现分析对事故责任确定、车辆的安全性改进以及道路的合理设计具有重要意义[5]。

1 系统整体设计

本车辆数据事故记录仪EDR可以记录八十多项数据,比如车辆速度、驾驶员安全带状态、转向信号开关状态、制动踏板位置等。中央控制器将数据记录仪所需的目标信息以约定的频率发送到CAN总线上,数据记录仪EDR根据预定的通信协议通过CAN总线获取所需的信息,将目标信息解析压缩后存储在FLASH中[6]。车辆事故数据记录仪EDR系统主要包括接收信号、处理信号和存储数据。通常EDR信号处理多在ECU中完成,由传感器完成数据采集,由FLASH完成数据的存储和删除。车辆事故数据记录仪的硬件组成如图1所示。

2 系统硬件设计

本车辆事故数据记录仪EDR的硬件部分主要包括主控芯片、单片机、电源模块、FLASH存储模块和CAN通信模块。其中主控芯片采用S32K144,可以通过汽车CAN数据总线接收和发送实时数据,并通过各个模块工程时序实现整个EDR事故数据的保存[7]。当事故发生后,可以通过提取ECU部件,借助于EDR数据读取工具,读取FLASH中的相关数据,进行事故重建。系统硬件框图如图2所示。

2.1 电源模块

在车辆事故数据记录仪EDR系统中,电源性能好坏直接关系记录仪能否正常工作。因此,电源设计要考虑功率、抗干扰性、电平等问题。电源要有较宽的电压输入范围和较大输出电流。微控制器、CAN收发器等均需要5 V电源,FLASH存储器则需要3.3 V电压。为此,采用三端可调的精密可控稳压源TL431能将5 V电压转化成3.3 V电压[8]。电源模块硬件电路如图3所示。

2.2 传感器模块

传感器模块主要用于检测车辆碰撞的阈值,当碰撞触发阈值时,CAN通信模块开始接收目标数据。本设计采用SMA660传感器。该传感器用作乘客车厢安全气囊控制单元的中央加速度计,为汽车安全应用中的碰撞传感而设计。SMA660是一种平面内双通道(X轴和Y轴)MEMS加速度計,为微控制器评估提供加速度数据。SMA660的数字标准串行外设接口(SPI)允许双向数据传输[9]。传感器模块电路如图4所示。

2.3 CAN通信模块

车辆事故数据记录仪EDR采用CAN总线进行数据传输,实现数据通信,存储在FLASH中的数据既可以上传,也可以下载。CAN总线的应用大幅节约了成本,使车辆更加智能化,并且使得故障检测和维修变得更加方便[10]。CAN通信模块电路如图5所示,其中UJA1042T是收发器,用于电平转换[11],0 V和5 V为CAN上的差分信号。电路中的PESD1CAN是CAN总线ESD保护二极管,它的主要作用是保护两条汽车CAN总线线路免受ESD和浪涌脉冲造成的损坏。ESD保护可达23 kV。

2.4 FLASH存储模块

数据存储模块主要采用的是S32K144芯片内部集成的FLASH,并将其作为记录仪存储器。该FLASH以扇区为基本组织单元,内建擦除与写入算法,大大简化了编程的复杂性。为防止意外擦除或写入操作[12],它建立有保护机制,可满足系统的要求。

3 App设计

3.1 App的总体设计

一旦发动汽车,EDR系统就会上电,其主要目的就是实现中断功能的开启,进行系统初始化。CAN通信模块主要是对CAN总线所对应报文进行处理和接收。目标数据最终存于FLASH中,便于上位机分析。记录仪通信模块流程如图6所示。

3.2 CAN总线发送

CAN报文的发送根据协议格式来完成。在CAN总线空闲的情况下,通过配置寄存器的相应位来清空标志位,设置报文ID、报文长度以及报文格式(标准格式或扩展格式),然后配置发送请求,将发送缓冲区配置为激活状态以发送数据。当发送缓冲区MB被激活以后,它将参与仲裁过程,并最终根据其优先级进行传输。CAN报文的发送流程如图7所示。

3.3 FLASH的写操作命令

该系统数据采样频率高达1 kHz,这些实时数据是分析汽车事故发生原因的重要依据。FLASH存储器所存储的内容一般需要通过FLASH命令来实行,FLASH写入操作命令流程如图8所示。

4 测试结果分析

4.1 CAN通信模块测试

分别检测记录仪在供电电压为13.5 V时,其显性位和隐性位输出电压VCAN_H、VCAN_L、VDiff、VCom是否在测试值范围内。显性电平和隐性电平是CAN通信物理层测试的核心,只有显性电平和隐性电平在正常范围内才可以进行正常通信。显性电平测试结果如图9所示。隐性电平测试结果如图10所示。测试结果表明,记录仪的显性位和隐性位输出电压VCAN_H、VCAN_L、VDiff、VCom均在正常范围内,该记录仪可以正常通信。

4.2 FLASH存储性能测试

FLASH存储性能的好坏直接影响记录仪存储数据的完整性,为此对FLASH进行存储性能测试。测试完成后存储在FLASH中的数据如图11所示。测试结果表明,记录仪可以完整记录目标数据,并且没有数据丢失。

5 结 语

车辆事故数据记录仪EDR能够高密度、快速地記录汽车发生事故前后的实时数据,可以说是安全气囊功能的一种有效扩展,为交通事故的调查和判断提供了有力的数据支撑;此外,车辆事故数据记录仪EDR的相关数据重建事故现场,还可以解读事故发生的原因,评定责任,最大限度保证人民的生命和财产安全[5]。目前,EDR已经得到成熟有效运用,许多国家已经颁布并实施了相关法律。因此,加强EDR系统设计的研究,引导行业重视事故数据记录,进一步提高道路交通安全水平[13],都有着重要的时代意义和价值。

注:本文通讯编辑为张云云。

参考文献

[1]邱金龙,李奎,苏森,等.汽车事故数据记录器数据规范及应用进展综述[J].汽车工程学报,2017,7(2):79-85.

[2]冯浩,吴建平,张志勇,等.车辆EDR数据在速度重建中的应用[J].中国司法鉴定,2016,17(3):26-31.

[3]崔硕,张康达,韩光省.基于EDR数据分析显示的App研究[J].汽车电器,2018,57(9):63-65.

[4]谷阳阳,柴智勇,全宝强.事故数据记录系统EDR在车辆质量司法鉴定中的应用[J].电子测量技术,2018,41(18):133-138.

[5]苏森.基于航拍正射图像与EDR数据的交通事故重建研究[D]. 重庆:第三军医大学,2015.

[6]施水娟,路长国,申彪.车载数据记录设备的设计与实现[J].电子测量技术,2019,42(11):75-78.

[7] NXP. S32K1xx series reference manual [Z]. 2017.

[8] Estek Electronics Co,Ltd. ET-TL432 adjustable precision shunt regulator [Z]. 2011.

[9] Robert Bosch GmbH,Reutlingen,Germany. Central acceleration sensor for automotive airbag applications SMA660 [Z]. 2010.

[10]胡庆华.CAN总线数据采集系统的研究[D]. 长春:长春理工大学,2013.

[11] NXP Semiconductors. TJA1042 high-speed CAN transceiver with standby mode data sheet [Z]. 2017.

[12]叶树梅.嵌入式系统中的FLASH存储管理分析与设计[D]. 苏州:苏州大学,2011.

[13]朱鹏.汽车事件数据记录系统的发展现状及应用[J].汽车实用技术,2019,44(2):218-220.

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