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智能式汽車安全氣袋控制系統(tǒng)的設計

發(fā)布時間:2010-6-24 21:56    發(fā)布者:我芯依舊
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,有效地保護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裝置--安全氣袋可以有效地保護乘員,已經(jīng)在歐美等國得到普及,成為保護乘員的主要裝備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、解決乘員保護問題的關(guān)鍵。

氣袋控制系統(tǒng)的任務是準確判斷出事故的碰撞強度,并點爆氣袋。控制系統(tǒng)主要有機械式、模擬電子式、智能式幾種1。第一、二代的機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,應用正在減少。現(xiàn)在大部分系統(tǒng)都采用第三代的帶微處理器的智能控制系統(tǒng)。它使用單片機對電子式加速度傳感器測得的信號進行計算,認為發(fā)生了碰撞并且達到一定強度時,輸出點火脈沖引爆氣體發(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算機通訊等前兩代控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。

本文在對國外先進控制系統(tǒng)研究的基礎上,提出了智能式控制系統(tǒng)的設計方案,并對其進行了臺車和實車試驗,證明該控制系統(tǒng)可以準確地判斷撞車事故,點爆氣袋。

1 控制系統(tǒng)設計

1.1 氣袋控制系統(tǒng)的要求

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

(1)抗干擾能力強

氣袋系統(tǒng)若發(fā)生誤點爆,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會產(chǎn)生較大的減速度,系統(tǒng)要能識別出這種狀況,不點燃氣袋。

(2)高可靠性與工作穩(wěn)定性

由于汽車的工作環(huán)境復雜以及不允許出現(xiàn)點火失敗的工作要求,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)的復雜程度,提高可靠性。同時也可減少系統(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、傳感器、點火電路、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算機系統(tǒng),以及打印機等后處理設備。

相應于硬件部分,控制系統(tǒng)軟件也由兩部分組成,一部分是單片機部分,包括實時采集與控制軟件和聯(lián)機通訊軟件;另一部分是微機部分,包括聯(lián)機通訊軟件和后續(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,在點爆氣袋、記錄事故數(shù)據(jù)后或系統(tǒng)自檢出現(xiàn)故障時,由上位機(微機)通過RS-232接口和控制系統(tǒng)進行通訊,讀取碰撞記錄、故障記錄并進行分析處理。

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,負責系統(tǒng)的管理、電源、加速度測量、氣袋點火驅(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、點火及其檢測電路、氣袋檢查電路等部分組成。考慮到系統(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

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

·有512字節(jié)RAM:可以在發(fā)生碰撞時采集一定數(shù)量的加速度信號,作為判斷點火的依據(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中而不用外擴存儲器,減少了系統(tǒng)的復雜程度,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火電路的檢查結(jié)果進行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,可以實現(xiàn)系統(tǒng)與計算機的通訊。

可見該型號單片機具有氣袋控制系統(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)的復雜程度。單片機的時鐘頻率選擇為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

在點爆氣袋的瞬時,系統(tǒng)的電流相當大,如果電源選擇不當,無力提供大的瞬時電流而引起點火電壓大幅降低,就可能無法點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間、高強度的電流,一般情況下完全滿足點火要求,可以選擇它作為控制單元電源和點火電源,同時也可降低系統(tǒng)的復雜程度。但是,汽車電瓶工作時電壓波動非常大,因此電源部分需采取濾波等相應措施。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爆氣袋,在電源部分設計了大電容蓄能。

為了防止在電壓過低時系統(tǒng)誤操作,還設計了電源監(jiān)測電路,用以實現(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:

1 實現(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行濾波。而濾波器的特性和濾波頻率對點火控制有很大影響,參考汽車碰撞試驗方法,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入單片機進行A/D轉(zhuǎn)換。

1.3.5 點火電路及氣袋檢測電路

氣體發(fā)生器的點爆條件為2A、2ms的電流脈沖。顯然,如果直接用單片機的輸出口驅(qū)動,雖然可提供足夠的電壓,但無法提供如此大的電流,因此要設計一個點火電路來完成這個任務。點火電路起到一個開關(guān)的作用,平時處于常開狀態(tài),點火時由單片機發(fā)出的點火信號控制開關(guān)閉合,把點火電壓加在氣體發(fā)生器橋絲的兩端,并持續(xù)一定時間。為了可靠點火,點火電壓應大于4V,在這里使用電控單元的電源(即車載電瓶)作為點火電路的電源2。圖3為點火電路的示意圖。


在驅(qū)動電路中,利用光電耦合實現(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。為了防止誤點火,點火電路和氣袋之間串聯(lián)一個機械式安全傳感器。它在原理上是一個機械式加速度傳感器,正常情況下處于常開狀態(tài),當減速度達到一定強度時,傳感器閉合,允許點火電流通過。而一般的路面干擾不足以使之閉合,此時,即使有錯誤的點火信號,也不能點爆氣袋。

為了提高系統(tǒng)的可靠性,點火電路設計有自檢能力和檢測氣袋狀況的能力,當發(fā)現(xiàn)不能可靠點爆氣袋時,通過系統(tǒng)驅(qū)動指示燈顯示故障信息,通知駕駛員及時修理。檢測氣袋時可以分辨正常、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 單片機軟件

單片機的軟件有兩方面的用途,一方面是用于實現(xiàn)汽車碰撞中的實時車載數(shù)據(jù)采集和安全氣袋的點火控制;另一方面是實現(xiàn)車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同微機進行通信。

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、點火電路和氣袋的自檢。自檢結(jié)束后保存結(jié)果、設置故障代碼并打開中斷,即進入正常工作狀態(tài),循環(huán)驅(qū)動指示燈以顯示系統(tǒng)狀態(tài),同時等待中斷發(fā)生。

數(shù)據(jù)采集與控制程序主要負責實時數(shù)據(jù)采集,使用點火算法對所采數(shù)據(jù)進行計算并作出判斷,發(fā)出點火信號。在點火后還要設置狀態(tài)代碼進行數(shù)據(jù)保存等工作。為了全面分析不同的事故情況,對不夠點火條件但仍有一定強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。


該程序采用實時中斷,每1ms執(zhí)行一次。

聯(lián)機通訊程序完成與微機的通訊,根據(jù)微機的指示完成事故數(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 微機軟件

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

2 試 驗

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

2.1 臺車試驗

試驗由臺車撞擊液壓緩沖器模擬汽車的碰撞波形,在清華大學汽車碰撞試驗室的試驗臺車上進行。為了節(jié)約,先由點火管代替氣袋觀察控制系統(tǒng)的工作情況,試驗車速由10km/h遞增至48km/h,車速低于20km/h時不應點火,高于30km/h時應該點火1。表1為試驗時控制器的工作情況。


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

2.2 實車試驗

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


本文介紹了智能式氣袋控制系統(tǒng)的設計,此設計實現(xiàn)了氣袋控制系統(tǒng)的全部功能,包括氣袋點爆、故障診斷指示、數(shù)據(jù)采集、聯(lián)機通訊等。該控制系統(tǒng)已通過了國家驗收,正在準備投入批量生產(chǎn)。它具有以下特點:

1  實現(xiàn)了電路的自診斷,包括內(nèi)存自檢、傳感器自診斷、點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)機通訊兩種方式通知給使用者。

2 設計了使用光電隔離和機械式安全傳感器的點火電路,該電路可靠、抗干擾能力強,并且具有診斷氣袋和點火電路的功能。

3 結(jié)合硬件設計了系統(tǒng)軟件,完成了自診斷、數(shù)據(jù)采集、通訊等功能,并實現(xiàn)了點火控制。控制軟件充分利用了單片機的軟件中斷功能,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 設計了微機的軟件,可以對碰撞數(shù)據(jù)進行深入地處理和研究,為控制系統(tǒng)的進一步發(fā)展打下了基礎。
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