車載事故數據記錄系統的研究與設計

張云云 韓躍平

摘 要：車載事故以往的數據記錄大多記錄安全氣囊控制模塊的數據信息，信息單一，并且各制造商數據記錄的格式各不相同，該數據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，及對事故再現的研究，設計了EDR碰撞事故數據記錄儀。該數據記錄儀能夠全面準確地反映碰撞發生時車輛的運行狀態。記錄儀采用C語言編寫程序，CAN總線通信，用FLASH存儲目標數據。通過對記錄儀進行系統測試，發現所存數據與采集到的目標數據一致，且沒有數據丟失，達到了預期設計目標。本設計為后續的車輛事故數據記錄研究提供了數據支持。

關鍵詞：事故再現;數據記錄;EDR;記錄儀;CAN總線;FLASH;數據存儲

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

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

研究學者依據飛機“黑匣子”的原理研制出車輛事故數據記錄儀（Event Data Recorder，EDR），該記錄儀用于記錄事故前后車輛的行駛參數，以及駕駛員采取的具體操作。EDR數據包括車輛速度、發動機轉速、安全帶使用情況、制動踏板情況、日期等[2-3]。當車輛發生碰撞時，通過分析EDR數據，可以客觀地分析車輛的運行參數，不僅為司法機構公正、高效地執法提供了有力的數據支持，也為道路事故重現研究提供了技術支持[4]。事故的再現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 系統整體設計

本車輛數據事故記錄儀EDR可以記錄八十多項數據，比如車輛速度、駕駛員安全帶狀態、轉向信號開關狀態、制動踏板位置等。中央控制器將數據記錄儀所需的目標信息以約定的頻率發送到CAN總線上，數據記錄儀EDR根據預定的通信協議通過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]。車輛事故數據記錄儀EDR系統主要包括接收信號、處理信號和存儲數據。通常EDR信號處理多在ECU中完成，由傳感器完成數據采集，由FLASH完成數據的存儲和刪除。車輛事故數據記錄儀的硬件組成如圖1所示。

2 系統硬件設計

本車輛事故數據記錄儀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數據總線接收和發送實時數據，并通過各個模塊工程時序實現整個EDR事故數據的保存[7]。當事故發生后，可以通過提取ECU部件，借助于EDR數據讀取工具，讀取FLASH中的相關數據，進行事故重建。系統硬件框圖如圖2所示。

2.1 電源模塊

在車輛事故數據記錄儀EDR系統中，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收發器等均需要5 V電源，FLASH存儲器則需要3.3 V電壓。為此，采用三端可調的精密可控穩壓源TL431能將5 V電壓轉化成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，當碰撞觸發閾值時，CAN通信模塊開始接收目標數據。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據。SMA660的數字標準串行外設接口（SPI）允許雙向數據傳輸[9]。傳感器模塊電路如圖4所示。

2.3 CAN通信模塊

車輛事故數據記錄儀EDR采用CAN總線進行數據傳輸，實現數據通信，存儲在FLASH中的數據既可以上傳，也可以下載。CAN總線的應用大幅節約了成本，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是收發器，用于電平轉換[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

數據存儲模塊主要采用的是S32K144芯片內部集成的FLASH，并將其作為記錄儀存儲器。該FLASH以扇區為基本組織單元，內建擦除與寫入算法，大大簡化了編程的復雜性。為防止意外擦除或寫入操作[12]，它建立有保護機制，可滿足系統的要求。

3 軟件設計

3.1 軟件的總體設計

一旦發動汽車，EDR系統就會上電，其主要目的就是實現中斷功能的開啟，進行系統初始化。CAN通信模塊主要是對CAN總線所對應報文進行處理和接收。目標數據最終存于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總線發送

CAN報文的發送根據協議格式來完成。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），然后配置發送請求，將發送緩沖區配置為激活狀態以發送數據。當發送緩沖區MB被激活以后，它將參與仲裁過程，并最終根據其優先級進行傳輸。CAN報文的發送流程如圖7所示。

3.3 FLASH的寫操作命令

該系統數據采樣頻率高達1 kHz，這些實時數據是分析汽車事故發生原因的重要依據。FLASH存儲器所存儲的內容一般需要通過FLASH命令來執行，FLASH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。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，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據的完整性，為此對FLASH進行存儲性能測試。測試完成后存儲在FLASH中的數據如圖11所示。測試結果表明，記錄儀可以完整記錄目標數據，并且沒有數據丟失。

5 結 語

車輛事故數據記錄儀EDR能夠高密度、快速地記錄汽車發生事故前后的實時數據，可以說是安全氣囊功能的一種有效擴展，為交通事故的調查和判斷提供了有力的數據支撐;此外，車輛事故數據記錄儀EDR的相關數據重建事故現場，還可以解讀事故發生的原因，評定責任，最大限度保證人民的生命和財產安全[5]。目前，EDR已經得到成熟有效運用，許多國家已經頒布并實施了相關法律。因此，加強EDR系統設計的研究，引導行業重視事故數據記錄，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。

參考文獻

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