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圖文詳解汽車儀表板背后的車規級安全設計要求

2020-01-07
來源:賽普拉斯半導體技術有限公司

  車輛中的電子組件數量不斷增長,不僅增加故障率,也給駕駛員和乘客帶來更大風險。這種風險的增大迫使汽車行業將功能安全標準融入到汽車設計中。

  ISO 26262標準對車載電子設備在整個生命周期的功能安全要求做出規定。它為汽車系統/組件提供從A級到D級的汽車安全完整性等級(ASIL)風險評估, D級為最高。ASIL的具體要求隨應用不同而改變。汽車儀表板必須顯示來自車內各傳感器和致動器(actuator)的關鍵信息,同時必須符合ASIL B級標準。還有一些儀表板顯示信息,如制動、指示器和變速箱速檔選擇器(PRNDL)信息,也必須符合ISO 26262功能安全標準。

先進的汽車儀表板技術

  為了簡化和加速開發,新一代儀表板技術采用功能安全關鍵技術,為汽車應用提供符合ISO 26262標準的完整開發平臺。例如,圖1所示的可重配置數字儀表板,配備了汽車MCU支持的1280x480分辨率顯示器。此外,該儀表板還采用故障安全NOR閃存存儲器,以及符合所有功能安全要求的圖形化人機界面(HMI)。

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圖1:符合ISO 26262標準的汽車儀表板解決方案

主要系統特性

  新一代汽車儀表板既要高性能,更要確保安全和容錯運行。它們需要對所有安全關鍵型圖形進行檢測并予以糾正,然后再將這些圖形顯示在屏幕上。這些系統內的圖形存儲在支持關鍵要求方面起著重要作用,包括支持安全快速的啟動過程。

  1.安全啟動

  第一項要求是安全啟動。在眾多現代儀表板中,汽車MCU與NOR閃存器件搭配,共同用于存儲啟動代碼和圖形內容。如果在初始化或配置過程中發生斷電,某些情況下NOR閃存器件可能會受損或不能做出響應。采用故障安全NOR閃存可以防止運行故障。它可以報告器件初始化故障及配置失敗,并提供從故障中恢復的方法。

  2.即時啟動

  第二項必需的儀表板功能是“即時啟動”。儀表板顯示器應能在上電或重置后立即顯示準確數據,不應存在延遲。通過將汽車MCU與高速NOR閃存存儲器控制器相結合,并設計高效率圖形顯示方案,可以做到即時啟動。

  3.安全圖形監控器

  正如本文之前討論過的,所有符合ISO 26262 ASIL B級功能安全要求的顯示器,都需要對虛擬儀表板上的告警燈、信號和變速檔位指示采取防錯機制。駕駛員必須隨時掌握儀表板是否正常工作。例如,儀表板必須能監控和檢測安全關鍵型圖像/符號(參見圖2a)。

  符合安全要求的圖形監控器應能針對每一幀顯示輸出,對其中的安全關鍵型內容特征進行檢查。如果安全關鍵型內容發生損壞,那么系統應為該損壞內容生成不同的特征指示燈,并使用告警消息提示駕駛員(參見圖2b)。

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   圖2a:正確的制動指示燈

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圖2b:發生故障的制動指示燈與安全監控告警

  4.圖像糾正

  對儀表板提出的另一項關鍵要求是要具備圖像糾正功能。任何切實可用的儀表板應采用NOR閃存器件來存儲顯示圖像,并提供錯誤檢測與糾正功能。圖3a和圖3b就體現了這種理念。在本例中,我們故意將受損的近光燈指示燈圖像與正確圖像的ECC癥狀碼結合,并存儲在NOR閃存器件中。如果我們禁用NOR閃存器件中的糾錯功能,就會顯示模糊受損的近光燈指示燈圖像(參見圖3a)。如果我們啟用閃存器件中的糾錯功能,就會顯示糾正后的圖標(參見圖3b)。

  如圖所示,通過監控并糾正安全關鍵型顯示信息來確保準確性,NOR閃存技術將進一步提高安全性水平。

 

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   圖3a:禁用NOR閃存ECC后的指示燈圖像顯示

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圖3b:啟用NOR閃存ECC后的指示燈圖像顯示

  圖4所示的是儀表板原理圖,該儀表板以符合安全要求的方式使用NOR閃存訪問圖像數據。

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圖4:儀表板系統解決方案

儀表板MCU內的功能安全

  功能安全儀表板MCU,如賽普拉斯Traveo II,是符合安全要求的儀表板系統的重要組成部分。它們在單個組件中將傳統的MCU功能與圖形功能相結合。該MCU在功能安全方面符合ISO 26262標準,并為看門狗、時鐘管理器、低電壓檢測、CRC引擎、時序保護單元和外設保護單元等安全相關IP提供支持。

  此外,軟件在功能安全中也起著重要作用。Altia ISO 26262和面向汽車嵌入式圖像的Altia安全監控器(ASM)等儀表板平臺,使用儀表板MCU圖形子系統內的特征單元來檢查安全關鍵型內容特征。表1所示的是儀表板MCU的部分功能安全性功能。

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表1:儀表板Traveo II MCU內的功能安全

NOR閃存內的功能安全

  NOR閃存是最可靠的非易失性存儲器。在道路上行駛的數百萬輛汽車已對此作出證實。盡管如此,ISO 26262標準仍然要求汽車制造商對任何可能發生的故障進行檢測,以確保功能安全。專為功能安全設計的NOR閃存,例如賽普拉斯提供的Semper NOR閃存,集成了汽車系統的關鍵安全特性。以Semper為例,它是一種達到ASIL B級水平、即將滿足ASIL D級要求的器件。它具有良好的耐久度,編程/擦除周期高達100萬次以上,數據保持能力長達25年,即使在極端溫度條件下也是如此。NOR閃存密度高達4Gb,支持兼容QSPI和JEDEC xSPI標準的Octal和HyperBus接口。這兩種接口可提供高達400MB/s的吞吐量。表2所示的是功能安全性NOR閃存支持的所有安全機制與診斷功能。

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表2:功能安全性Semper NOR閃存的功能安全詳解

軟件部分的功能安全

  像Altia這樣的HMI軟件可以根據需要確認功能安全內容的正確顯示。它的通用嵌入式軟件應用達到ASIL B級水平,為HMI內的安全關鍵型對象提供監控功能。它依據ISO 26262標準和ASIL B級標準開發,通過檢查每一幀顯示輸出中的安全關鍵型內容特征來確保其滿足ISO 26262標準的要求。

  通過將功能安全融入到儀表板MCU、非易失性存儲器和嵌入式軟件中,開發人員能夠快速設計出符合安全要求的復雜汽車應用。


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