基于ARM的汽車安全氣囊系統(tǒng)設(shè)計(jì)(2)

2.3.1 主程序模塊

　　為增加系統(tǒng)的執(zhí)行效率，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)程序運(yùn)行，系統(tǒng)通過移植，嵌入了μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。程序流程圖中啟動(dòng)任務(wù)模塊為嵌入μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)時(shí)程序常用模式。

　　2.3.2 啟動(dòng)任務(wù)模塊

　　在程序運(yùn)行時(shí)，先執(zhí)行啟動(dòng)任務(wù)，然后根據(jù)按鍵情況，執(zhí)行通訊任務(wù)或定時(shí)采樣任務(wù)。

　　2.3.3 定時(shí)采樣模塊

　　軟件中實(shí)現(xiàn)每1s采樣一次加速度并做A/D轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)在Flash中。若發(fā)生了撞車事故并符合算法的點(diǎn)火條件，記錄當(dāng)前數(shù)據(jù)存放地址，適時(shí)發(fā)出點(diǎn)火指令，啟爆氣囊，同時(shí)，再采樣90個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。在分析現(xiàn)場時(shí)，碰撞前的90個(gè)數(shù)據(jù)和撞車后的90個(gè)數(shù)據(jù)可記錄在LM3S1138內(nèi)置的flash中，作為黑匣子信息分析事故原因。

　　本系統(tǒng)選用加入垂直量的移動(dòng)窗積分算法。由于篇幅所限，將在后續(xù)文章中論述。

　　2.3.4 串行通訊模塊

　　事故發(fā)生后，PC機(jī)通過串行口讀出氣囊控制系統(tǒng)黑匣子中的數(shù)據(jù)，作為分析事故之用。開發(fā)人員可自行設(shè)置讀取黑匣子水平方向加速度和垂直方向加速度數(shù)據(jù)的密碼。

　　3 性能試驗(yàn)

　　目前汽車業(yè)內(nèi)普遍采用的是5英寸（1英寸=254cm）30ms準(zhǔn)則來確定安全氣囊的最佳點(diǎn)火時(shí)刻。在汽車碰撞過程中，乘員相對于車體向前移動(dòng)5英寸時(shí)刻的前30ms是氣囊的最佳點(diǎn)火時(shí)刻。其依據(jù)是大多數(shù)已系好安全帶的轎車乘員與轉(zhuǎn)向盤之間的間距為12英寸，氣囊充氣后的厚度為約為7英寸，氣囊從點(diǎn)爆到充滿氣體的時(shí)間為30ms。當(dāng)氣袋充滿氣體的時(shí)刻乘員恰好與氣袋接觸，氣囊保護(hù)作用最佳。若氣囊點(diǎn)火過早，當(dāng)乘員接觸到氣囊時(shí)，氣囊已泄氣，起不到保護(hù)作用。

　　當(dāng)氣囊點(diǎn)火過晚，乘員由于慣性前移，氣囊會(huì)把乘員打傷甚至致死。所以最佳點(diǎn)火時(shí)間是設(shè)計(jì)安全氣囊控制器的關(guān)鍵。而本系統(tǒng)利用積分窗算法和ARMCortex處理器相結(jié)合，取得了較好的效果，試驗(yàn)結(jié)果和該準(zhǔn)則基本吻合。

　　3.1 臺(tái)車試驗(yàn)

　　臺(tái)車試驗(yàn)在南昌大學(xué)科技學(xué)院汽車碰撞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，如圖5所示。碰撞后，乘員身體前移的時(shí)刻比碰撞時(shí)刻滯后。滯后的大小主要取決于某款車型的吸能性能。由于臺(tái)車上只有安全氣囊控制系統(tǒng)，并無任何吸能裝置，吸能幾乎為零。故在本試驗(yàn)中，認(rèn)為碰撞時(shí)刻即為乘員開始前移的時(shí)刻。臺(tái)車在滑行軌道上由繩索牽引。時(shí)速由40km/h逐漸遞增到60km/h。試驗(yàn)過程由高速攝像機(jī)錄制，通過慢放錄像，測得在碰撞時(shí)刻后氣囊打開時(shí)刻。數(shù)據(jù)如表1所示。

　　試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，氣囊打開時(shí)刻與最佳點(diǎn)火時(shí)刻偏差很小，在此偏差內(nèi)不會(huì)發(fā)生氣囊彈傷乘員或過早漏氣的現(xiàn)象。

　　3.2 實(shí)車試驗(yàn)

　　在國家某機(jī)動(dòng)車檢測中心，用某型號國產(chǎn)轎車進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)。碰撞類型為正面碰撞。駕駛員座椅上放置了假人，且已系好安全帶。碰撞時(shí)速為60km/h。碰撞對象為蜂窩鋁。假人傳感器數(shù)采系統(tǒng)采樣頻率為1kHz。通過前期試驗(yàn)可知，該款車型的吸能形變過程約持續(xù)50ms,故在實(shí)車試驗(yàn)前，對氣囊控制系統(tǒng)的程序進(jìn)行了相應(yīng)修改。試驗(yàn)現(xiàn)場錄像截圖如圖6所示。

　　通過現(xiàn)場放置的高速攝像機(jī)錄像的回放，可知乘員在向前移動(dòng)了30ms后，安全氣囊準(zhǔn)確爆破。實(shí)車試驗(yàn)表明，安全系統(tǒng)控制系統(tǒng)可較為準(zhǔn)確地控制氣囊的最佳點(diǎn)火時(shí)刻。

　　4 結(jié)語

　　由于安全氣囊要求在極短的時(shí)間內(nèi)對碰撞事故作出處理，因此要求控制系統(tǒng)能在瞬間完成實(shí)時(shí)處理和復(fù)雜運(yùn)算的過程，即要求其具有較高的運(yùn)算速度，時(shí)滯較小，以適應(yīng)汽車安全氣囊的實(shí)時(shí)控制要求。而一般的8位單片機(jī)編程簡單，易于應(yīng)用，但信號處理能力不強(qiáng)。本系統(tǒng)采用基于ARMCortexM3內(nèi)核的32位高性能微控制器LM3S1138,嵌入μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，利用移動(dòng)積分窗爆破算法，完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。臺(tái)車試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)表明，本系統(tǒng)可較為準(zhǔn)確的控制氣囊的最佳點(diǎn)火時(shí)刻，從而有效保護(hù)駕駛員的安全。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分使用了TI官方免費(fèi)提供的驅(qū)動(dòng)庫，采用模塊化設(shè)計(jì)，簡化了開發(fā)過程。LM3S1138微控制器是片上系統(tǒng)（SoC）。集成了ADC、模擬比較器、flash存儲(chǔ)器等外設(shè)資源并且價(jià)格低廉，故構(gòu)建的系統(tǒng)集成度高、體積小、成本低。LM3S1138多達(dá)46個(gè)I/O口，增加了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，可在此基礎(chǔ)上研發(fā)多級智能型汽車安全氣囊控制系統(tǒng)。