基于采用第三代微處理器實(shí)現(xiàn)汽車氣袋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：楊天偉，張金換，黃世霖

在我國，隨著汽車的普及，交通事故及傷亡人數(shù)也在逐年上升。如何在發(fā)生汽車碰撞事故時(shí)，有效地保護(hù)乘員生命就成為迫切需要解決的問題。作為與安全帶配合使用的一種保護(hù)裝置--安全氣袋可以有效地保護(hù)乘員，已經(jīng)在歐美等國得到普及，成為保護(hù)乘員的主要裝備1，并已成功挽救了很多人的生命，顯示了它的實(shí)用性。作為氣袋系統(tǒng)核心部件的控制系統(tǒng)是各生產(chǎn)廠家嚴(yán)格保密的核心技術(shù)，因此研制自己的控制系統(tǒng)就成為我國發(fā)展汽車安全氣袋、解決乘員保護(hù)問題的關(guān)鍵。

氣袋控制系統(tǒng)的任務(wù)是準(zhǔn)確判斷出事故的碰撞強(qiáng)度，并點(diǎn)爆氣袋?？刂葡到y(tǒng)主要有機(jī)械式、模擬電子式、智能式幾種1。第一、二代的機(jī)械式和模擬式控制系統(tǒng)，由于結(jié)構(gòu)的局限，靈活性有很大限制，應(yīng)用正在減少?，F(xiàn)在大部分系統(tǒng)都采用第三代微處理器的智能控制系統(tǒng)。它使用單片機(jī)對電子式加速度傳感器測得的信號進(jìn)行計(jì)算，認(rèn)為發(fā)生了碰撞并且達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，輸出點(diǎn)火脈沖引爆氣體發(fā)生器，迅速產(chǎn)生大量氣體充滿氣袋3。智能控制系統(tǒng)的控制算法由軟件實(shí)現(xiàn)，極大地提高了算法的靈活性，而且具有記錄事故信息和與計(jì)算機(jī)通訊等前兩代控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的功能。

本文在對國外先進(jìn)控制系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，提出了智能式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對其進(jìn)行了臺車和實(shí)車試驗(yàn)，證明該控制系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地判斷撞車事故，點(diǎn)爆氣袋。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 氣袋控制系統(tǒng)的要求

由于工作任務(wù)的特殊性，汽車安全氣袋控制系統(tǒng)除了必須具備點(diǎn)火判斷、發(fā)出點(diǎn)火信號的功能外，還應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求2。

（1）抗干擾能力強(qiáng)

氣袋系統(tǒng)若發(fā)生誤點(diǎn)爆，不僅會對乘員造成驚嚇，甚至可能引發(fā)事故，因此必須有很高的抗干擾能力。如汽車受到粗糙路面干擾時(shí)會產(chǎn)生較大的減速度，系統(tǒng)要能識別出這種狀況，不點(diǎn)燃?xì)獯?/p>

（2）高可靠性與工作穩(wěn)定性

由于汽車的工作環(huán)境復(fù)雜以及不允許出現(xiàn)點(diǎn)火失敗的工作要求，氣袋控制系統(tǒng)必須具有較高的可靠性與穩(wěn)定性。另外，碰撞后，電源可能首先被撞壞，因此要求系統(tǒng)能在掉電后繼續(xù)工作數(shù)百毫秒。

（3）結(jié)構(gòu)緊湊

整個系統(tǒng)除了要滿足上述要求外，還要盡量減小體積，少用元器件，以減小系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高可靠性。同時(shí)也可減少系統(tǒng)的耗電量，以盡量維持掉電后的工作。

1.2 控制系統(tǒng)總體方案

本控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。圖1是控制系統(tǒng)的組成框圖。

氣袋控制系統(tǒng)硬件由兩部分構(gòu)成，一部分是車載部分的電子控制單元，包括控制單片機(jī)、傳感器、點(diǎn)火電路、指示燈電路等；另一部分是地面部分，包括串行通訊電路和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以及打印機(jī)等后處理設(shè)備。

相應(yīng)于硬件部分，控制系統(tǒng)軟件也由兩部分組成，一部分是單片機(jī)部分，包括實(shí)時(shí)采集與控制軟件和聯(lián)機(jī)通訊軟件；另一部分是微機(jī)部分，包括聯(lián)機(jī)通訊軟件和后續(xù)數(shù)據(jù)處理軟件。

氣袋控制系統(tǒng)工作過程是：將系統(tǒng)固定于汽車上，上電后系統(tǒng)開始工作，在點(diǎn)爆氣袋、記錄事故數(shù)據(jù)后或系統(tǒng)自檢出現(xiàn)故障時(shí)，由上位機(jī)（微機(jī)）通過RS-232接口和控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，讀取碰撞記錄、故障記錄并進(jìn)行分析處理。

1.3 控制系統(tǒng)硬件

電子控制單元是整個控制系統(tǒng)的重要硬件，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、電源、加速度測量、氣袋點(diǎn)火驅(qū)動、指示燈顯示、數(shù)據(jù)采集等功能。

1.3.1 總體方案

氣袋控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。電控單元部分由電源、微處理器、傳感器及濾波、點(diǎn)火及其檢測電路、氣袋檢查電路等部分組成?？紤]到系統(tǒng)與外界的聯(lián)系，還要有指示燈及通訊接口。

1.3.2 單片機(jī)

根據(jù)氣袋控制系統(tǒng)的要求，選擇MOTOROLA公司的MC68HC11E9單片機(jī)，它具有以下性能：

·有512字節(jié)RAM：可以在發(fā)生碰撞時(shí)采集一定數(shù)量的加速度信號，作為判斷點(diǎn)火的依據(jù)。

·有512字節(jié)EEPROM：所記錄的事故數(shù)據(jù)可在失去電源的情況下長久保存，以備事故分析。

·有12K字節(jié)EPROM：可以把程序固化在單片機(jī)中而不用外擴(kuò)存儲器，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高可靠性。

·有足夠數(shù)量的A/D轉(zhuǎn)換通道：可以直接對加速度信號及氣袋和點(diǎn)火電路的檢查結(jié)果進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，從而節(jié)省了專用A/D芯片，提高了系統(tǒng)的可靠性。

·具有異步串行通訊接口，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的通訊。

可見該型號單片機(jī)具有氣袋控制系統(tǒng)所需的多種性能，可大大節(jié)省各種專用芯片的數(shù)量，減小系統(tǒng)的復(fù)雜程度。單片機(jī)的時(shí)鐘頻率選擇為3MHz，這個速度可完全滿足氣袋控制系統(tǒng)的工作要求。

1.3.3 電源

在點(diǎn)爆氣袋的瞬時(shí)，系統(tǒng)的電流相當(dāng)大，如果電源選擇不當(dāng)，無力提供大的瞬時(shí)電流而引起點(diǎn)火電壓大幅降低，就可能無法點(diǎn)火甚至因電源電壓過低而使系統(tǒng)停止工作。汽車用的電瓶可以提供短時(shí)間、高強(qiáng)度的電流，一般情況下完全滿足點(diǎn)火要求，可以選擇它作為控制單元電源和點(diǎn)火電源，同時(shí)也可降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度。但是，汽車電瓶工作時(shí)電壓波動非常大，因此電源部分需采取濾波等相應(yīng)措施。為了減少元件數(shù)量，提高可靠性，要求所選元件的工作電壓均為+5V。

為了保證在失去電源的情況下系統(tǒng)仍能正常工作數(shù)百毫秒并能可靠地點(diǎn)爆氣袋，在電源部分設(shè)計(jì)了大電容蓄能。

為了防止在電壓過低時(shí)系統(tǒng)誤操作，還設(shè)計(jì)了電源監(jiān)測電路，用以實(shí)現(xiàn)低電壓禁止的功能。

1.3.4 加速度測量電路

系統(tǒng)選用MOTOROLA公司生產(chǎn)的氣袋系統(tǒng)專用電容式硅微加速度傳感器。與傳統(tǒng)的壓阻傳感器相比，它有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

1實(shí)現(xiàn)全電路診斷，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2集成度提高，不用放大電路等即可進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

為了消除高頻噪聲的干擾，控制系統(tǒng)中一般都需對加速度信號進(jìn)行濾波。而濾波器的特性和濾波頻率對點(diǎn)火控制有很大影響，參考汽車碰撞試驗(yàn)方法，本電路的濾波頻率選擇為100Hz。濾波器使用MAXIM公司的濾波電路MAX291。它是8階巴特沃茲低通開關(guān)電容濾波芯片，可以采用單電源+5V供電。開關(guān)電容濾波器是集成器件，性能可靠、結(jié)構(gòu)緊湊，可以較好地滿足控制系統(tǒng)的要求。經(jīng)過濾波后的加速度信號即可進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

1.3.5 點(diǎn)火電路及氣袋檢測電路

氣體發(fā)生器的點(diǎn)爆條件為2A、2ms的電流脈沖。顯然，如果直接用單片機(jī)的輸出口驅(qū)動，雖然可提供足夠的電壓，但無法提供如此大的電流，因此要設(shè)計(jì)一個點(diǎn)火電路來完成這個任務(wù)。點(diǎn)火電路起到一個開關(guān)的作用，平時(shí)處于常開狀態(tài)，點(diǎn)火時(shí)由單片機(jī)發(fā)出的點(diǎn)火信號控制開關(guān)閉合，把點(diǎn)火電壓加在氣體發(fā)生器橋絲的兩端，并持續(xù)一定時(shí)間。為了可靠點(diǎn)火，點(diǎn)火電壓應(yīng)大于4V，在這里使用電控單元的電源（即車載電瓶）作為點(diǎn)火電路的電源2。圖3為點(diǎn)火電路的示意圖。

在驅(qū)動電路中，利用光電耦合實(shí)現(xiàn)控制電路與主電路之間的隔離，以保證電路的安全并提高抗干擾能力。為了防止誤點(diǎn)火，點(diǎn)火電路和氣袋之間串聯(lián)一個機(jī)械式安全傳感器。它在原理上是一個機(jī)械式加速度傳感器，正常情況下處于常開狀態(tài)，當(dāng)減速度達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，傳感器閉合，允許點(diǎn)火電流通過。而一般的路面干擾不足以使之閉合，此時(shí)，即使有錯誤的點(diǎn)火信號，也不能點(diǎn)爆氣袋。

為了提高系統(tǒng)的可靠性，點(diǎn)火電路設(shè)計(jì)有自檢能力和檢測氣袋狀況的能力，當(dāng)發(fā)現(xiàn)不能可靠點(diǎn)爆氣袋時(shí)，通過系統(tǒng)驅(qū)動指示燈顯示故障信息，通知駕駛員及時(shí)修理。檢測氣袋時(shí)可以分辨正常、短路、斷路及接觸不良等幾種情況。

1.4 控制系統(tǒng)軟件

1.4.1 單片機(jī)軟件

單片機(jī)的軟件有兩方面的用途，一方面是用于實(shí)現(xiàn)汽車碰撞中的實(shí)時(shí)車載數(shù)據(jù)采集和安全氣袋的點(diǎn)火控制；另一方面是實(shí)現(xiàn)車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同微機(jī)進(jìn)行通信。

系統(tǒng)主程序包括系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)自檢、故障代碼設(shè)置、指示燈驅(qū)動等程序。流程如圖4所示。

其中系統(tǒng)自檢部分包括EEPROM、加速度傳感器、點(diǎn)火電路和氣袋的自檢。自檢結(jié)束后保存結(jié)果、設(shè)置故障代碼并打開中斷，即進(jìn)入正常工作狀態(tài)，循環(huán)驅(qū)動指示燈以顯示系統(tǒng)狀態(tài)，同時(shí)等待中斷發(fā)生。

數(shù)據(jù)采集與控制程序主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，使用點(diǎn)火算法對所采數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并作出判斷，發(fā)出點(diǎn)火信號。在點(diǎn)火后還要設(shè)置狀態(tài)代碼進(jìn)行數(shù)據(jù)保存等工作。為了全面分析不同的事故情況，對不夠點(diǎn)火條件但仍有一定強(qiáng)度的事故也要記錄其波形，使系統(tǒng)具備“黑匣子”的功能。其流程如圖5所示。

該程序采用實(shí)時(shí)中斷，每1ms執(zhí)行一次。

聯(lián)機(jī)通訊程序完成與微機(jī)的通訊，根據(jù)微機(jī)的指示完成事故數(shù)據(jù)上傳、系統(tǒng)狀態(tài)上傳、清除EEPROM中保存的數(shù)據(jù)等工作。該程序采用中斷方式處理。

1.4.2 微機(jī)軟件

微機(jī)軟件包括通訊程序和后處理，微機(jī)通過通訊程序指示單片機(jī)上傳事故數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)，并對其結(jié)果進(jìn)行分析、處理。

2 試 驗(yàn)

汽車碰撞試驗(yàn)是檢驗(yàn)氣袋系統(tǒng)工作情況的行之有效的手段，其中又分為臺車模擬試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)。

2.1 臺車試驗(yàn)

試驗(yàn)由臺車撞擊液壓緩沖器模擬汽車的碰撞波形，在清華大學(xué)汽車碰撞試驗(yàn)室的試驗(yàn)臺車上進(jìn)行。為了節(jié)約，先由點(diǎn)火管代替氣袋觀察控制系統(tǒng)的工作情況，試驗(yàn)車速由10km/h遞增至48km/h，車速低于20km/h時(shí)不應(yīng)點(diǎn)火，高于30km/h時(shí)應(yīng)該點(diǎn)火1。表1為試驗(yàn)時(shí)控制器的工作情況。

最后，裝上氣袋進(jìn)行臺車試驗(yàn)。結(jié)果表明控制系統(tǒng)在車速高于30km/h以上時(shí)準(zhǔn)確點(diǎn)火，低于20km/h不點(diǎn)火，且能可靠記錄數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)車試驗(yàn)

使用某型號國產(chǎn)轎車做控制系統(tǒng)的實(shí)車試驗(yàn)，實(shí)測碰撞速度為49.2km/h。控制系統(tǒng)準(zhǔn)確地點(diǎn)爆了氣袋，并記錄了數(shù)據(jù)。圖6為這次試驗(yàn)控制系統(tǒng)記錄的碰撞波形。

本文介紹了智能式氣袋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了氣袋控制系統(tǒng)的全部功能，包括氣袋點(diǎn)爆、故障診斷指示、數(shù)據(jù)采集、聯(lián)機(jī)通訊等。該控制系統(tǒng)已通過了國家驗(yàn)收，正在準(zhǔn)備投入批量生產(chǎn)。它具有以下特點(diǎn)：

1 實(shí)現(xiàn)了電路的自診斷，包括內(nèi)存自檢、傳感器自診斷、點(diǎn)火電路自診斷和氣袋自診斷等，并可通過指示燈顯示和聯(lián)機(jī)通訊兩種方式通知給使用者。

2設(shè)計(jì)了使用光電隔離和機(jī)械式安全傳感器的點(diǎn)火電路，該電路可靠、抗干擾能力強(qiáng)，并且具有診斷氣袋和點(diǎn)火電路的功能。

3結(jié)合硬件設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟件，完成了自診斷、數(shù)據(jù)采集、通訊等功能，并實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火控制?？刂栖浖浞掷昧藛纹瑱C(jī)的軟件中斷功能，系統(tǒng)的功能切換不需要外部開關(guān)。

4結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、耗電少。

5設(shè)計(jì)了微機(jī)的軟件，可以對碰撞數(shù)據(jù)進(jìn)行深入地處理和研究，為控制系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展打下了基礎(chǔ)。

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