智能式汽車(chē)安全氣袋控制系統的設計方案

摘 要：介紹自行研制的智能式汽車(chē)安全氣袋控制系統，該系統主要由單片機、傳感器、點(diǎn)火電路等組成，使用點(diǎn)火控制算法對汽車(chē)加速度信號進(jìn)行判斷，輸出點(diǎn)火脈沖。本系統具有體積小、可靠性高、抗干擾能力強、可進(jìn)行自診斷等特點(diǎn)，在臺車(chē)試驗和實(shí)車(chē)試驗中均取得了較好的效果。
關(guān)鍵詞： 汽車(chē)安全氣袋 控制系統 單片機 設計

在我國，隨著(zhù)汽車(chē)的普及，交通事故及傷亡人數也在逐年上升。如何在發(fā)生汽車(chē)碰撞事故時(shí)，有效地保護乘員生命就成為迫切需要解決的問(wèn)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(shí)用性。作為氣袋系統核心部件的控制系統是各生產(chǎn)廠(chǎng)家嚴格保密的核心技術(shù)，因此研制自己的控制系統就成為我國發(fā)展汽車(chē)安全氣袋、解決乘員保護問(wèn)題的關(guān)鍵。

氣袋控制系統的任務(wù)是準確判斷出事故的碰撞強度，并點(diǎn)爆氣袋?？刂葡到y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，由于結構的局限，靈活性有很大限制，應用正在減少?，F在大部分系統都采用第三代的帶微處理器的智能控制系統。它使用單片機對電子式加速度傳感器測得的信號進(jìn)行計算，認為發(fā)生了碰撞并且達到一定強度時(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(mǎn)氣袋3。智能控制系統的控制算法由軟件實(shí)現，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無(wú)法實(shí)現的功能。

本文在對國外先進(jìn)控制系統研究的基礎上，提出了智能式控制系統的設計方案，并對其進(jìn)行了臺車(chē)和實(shí)車(chē)試驗，證明該控制系統可以準確地判斷撞車(chē)事故，點(diǎn)爆氣袋。

1 控制系統設計

1.1 氣袋控制系統的要求

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

(1)抗干擾能力強

氣袋系統若發(fā)生誤點(diǎn)爆，不僅會(huì )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(chē)受到粗糙路面干擾時(shí)會(huì )產(chǎn)生較大的減速度，系統要能識別出這種狀況，不點(diǎn)燃氣袋。

(2)高可靠性與工作穩定性

由于汽車(chē)的工作環(huán)境復雜以及不允許出現點(diǎn)火失敗的工作要求，氣袋控制系統必須具有較高的可靠性與穩定性。另外，碰撞后，電源可能首先被撞壞，因此要求系統能在掉電后繼續工作數百毫秒。

(3)結構緊湊

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

1.2 控制系統總體方案

本控制系統由硬件和軟件兩部分組成。圖1是控制系統的組成框圖。

氣袋控制系統硬件由兩部分構成，一部分是車(chē)載部分的電子控制單元，包括控制單片機、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算機系統，以及打印機等后處理設備。

相應于硬件部分，控制系統軟件也由兩部分組成，一部分是單片機部分，包括實(shí)時(shí)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)機通訊軟件和后續數據處理軟件。

氣袋控制系統工作過(guò)程是：將系統固定于汽車(chē)上，上電后系統開(kāi)始工作，在點(diǎn)爆氣袋、記錄事故數據后或系統自檢出現故障時(shí)，由上位機(微機)通過(guò)RS-232接口和控制系統進(jìn)行通訊，讀取碰撞記錄、故障記錄并進(jìn)行分析處理。

1.3 控制系統硬件

電子控制單元是整個(gè)控制系統的重要硬件，負責系統的管理、電源、加速度測量、氣袋點(diǎn)火驅動(dòng)、指示燈顯示、數據采集等功能。

1.3.1 總體方案

氣袋控制系統硬件結構框圖如圖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

根據氣袋控制系統的要求，選擇MOTOROLA公司的MC68HC11E9單片機，它具有以下性能４：

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

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

·有12K字節EPROM：可以把程序固化在單片機中而不用外擴存儲器，減少了系統的復雜程度，提高可靠性。

·有足夠數量的A/D轉換通道：可以直接對加速度信號及氣袋和點(diǎn)火電路的檢查結果進(jìn)行A/D轉換，從而節省了專(zhuān)用A/D芯片，提高了系統的可靠性。

·具有異步串行通訊接口，可以實(shí)現系統與計算機的通訊。

可見(jiàn)該型號單片機具有氣袋控制系統所需的多種性能，可大大節省各種專(zhuān)用芯片的數量，減小系統的復雜程度。單片機的時(shí)鐘頻率選擇為3MHz，這個(gè)速度可完全滿(mǎn)足氣袋控制系統的工作要求。

1.3.3 電源

在點(diǎn)爆氣袋的瞬時(shí)，系統的電流相當大，如果電源選擇不當，無(wú)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(wú)法點(diǎn)火甚至因電源電壓過(guò)低而使系統停止工作。汽車(chē)用的電瓶可以提供短時(shí)間、高強度的電流，一般情況下完全滿(mǎn)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)也可降低系統的復雜程度。但是，汽車(chē)電瓶工作時(shí)電壓波動(dòng)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仍能正常工作數百毫秒并能可靠地點(diǎn)爆氣袋，在電源部分設計了大電容蓄能。

為了防止在電壓過(guò)低時(shí)系統誤操作，還設計了電源監測電路，用以實(shí)現低電壓禁止的功能。

1.3.4 加速度測量電路

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

1實(shí)現全電路診斷，提高了系統的可靠性。

2集成度提高，不用放大電路等即可進(jìn)行A/D轉換。

為了消除高頻噪聲的干擾，控制系統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(chē)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(kāi)關(guān)電容濾波芯片，可以采用單電源+5V供電。開(kāi)關(guān)電容濾波器是集成器件，性能可靠、結構緊湊，可以較好地滿(mǎn)足控制系統的要求。經(jīng)過(guò)濾波后的加速度信號即可進(jìn)入單片機進(jìn)行A/D轉換。

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，如果直接用單片機的輸出口驅動(dòng)，雖然可提供足夠的電壓，但無(wú)法提供如此大的電流，因此要設計一個(gè)點(diǎn)火電路來(lái)完成這個(gè)任務(wù)。點(diǎn)火電路起到一個(gè)開(kāi)關(guān)的作用，平時(shí)處于常開(kāi)狀態(tài)，點(diǎn)火時(shí)由單片機發(fā)出的點(diǎn)火信號控制開(kāi)關(guān)閉合，把點(diǎn)火電壓加在氣體發(fā)生器橋絲的兩端，并持續一定時(shí)間。為了可靠點(diǎn)火，點(diǎn)火電壓應大于4V，在這里使用電控單元的電源(即車(chē)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。

在驅動(dòng)電路中，利用光電耦合實(shí)現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(gè)機械式安全傳感器。它在原理上是一個(gè)機械式加速度傳感器，正常情況下處于常開(kāi)狀態(tài)，當減速度達到一定強度時(shí)，傳感器閉合，允許點(diǎn)火電流通過(guò)。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。

為了提高系統的可靠性，點(diǎn)火電路設計有自檢能力和檢測氣袋狀況的能力，當發(fā)現不能可靠點(diǎn)爆氣袋時(shí)，通過(guò)系統驅動(dòng)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(shí)現汽車(chē)碰撞中的實(shí)時(shí)車(chē)載數據采集和安全氣袋的點(diǎn)火控制；另一方面是實(shí)現車(chē)載數據采集系統同微機進(jìn)行通信。

系統主程序包括系統初始化、系統自檢、故障代碼設置、指示燈驅動(dòng)等程序。流程如圖4所示。

其中系統自檢部分包括EEPROM、加速度傳感器、點(diǎn)火電路和氣袋的自檢。自檢結束后保存結果、設置故障代碼并打開(kāi)中斷，即進(jìn)入正常工作狀態(tài)，循環(huán)驅動(dòng)指示燈以顯示系統狀態(tài)，同時(shí)等待中斷發(fā)生。

數據采集與控制程序主要負責實(shí)時(shí)數據采集，使用點(diǎn)火算法對所采數據進(jìn)行計算并作出判斷，發(fā)出點(diǎn)火信號。在點(diǎn)火后還要設置狀態(tài)代碼進(jìn)行數據保存等工作。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度的事故也要記錄其波形，使系統具備黑匣子的功能。其流程如圖5所示。

該程序采用實(shí)時(shí)中斷，每1ms執行一次。

聯(lián)機通訊程序完成與微機的通訊，根據微機的指示完成事故數據上傳、系統狀態(tài)上傳、清除EEPROM中保存的數據等工作。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(guò)通訊程序指示單片機上傳事故數據和系統狀態(tài)，并對其結果進(jìn)行分析、處理。

2 試 驗

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

2.1 臺車(chē)試驗

試驗由臺車(chē)撞擊液壓緩沖器模擬汽車(chē)的碰撞波形，在清華大學(xué)汽車(chē)碰撞試驗室的試驗臺車(chē)上進(jìn)行。為了節約，先由點(diǎn)火管代替氣袋觀(guān)察控制系統的工作情況，試驗車(chē)速由10km/h遞增至48km/h，車(chē)速低于20km/h時(shí)不應點(diǎn)火，高于30km/h時(shí)應該點(diǎn)火1。表1為試驗時(shí)控制器的工作情況。

最后，裝上氣袋進(jìn)行臺車(chē)試驗。結果表明控制系統在車(chē)速高于30km/h以上時(shí)準確點(diǎn)火，低于20km/h不點(diǎn)火，且能可靠記錄數據。

2.2 實(shí)車(chē)試驗

使用某型號國產(chǎn)轎車(chē)做控制系統的實(shí)車(chē)試驗，實(shí)測碰撞速度為49.2km/h?？刂葡到y準確地點(diǎn)爆了氣袋，并記錄了數據。圖6為這次試驗控制系統記錄的碰撞波形。

本文介紹了智能式氣袋控制系統的設計，此設計實(shí)現了氣袋控制系統的全部功能，包括氣袋點(diǎn)爆、故障診斷指示、數據采集、聯(lián)機通訊等。該控制系統已通過(guò)了國家驗收，正在準備投入批量生產(chǎn)。它具有以下特點(diǎn)：

1 實(shí)現了電路的自診斷，包括內存自檢、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(guò)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(diǎn)火電路，該電路可靠、抗干擾能力強，并且具有診斷氣袋和點(diǎn)火電路的功能。

3結合硬件設計了系統軟件，完成了自診斷、數據采集、通訊等功能，并實(shí)現了點(diǎn)火控制?？刂栖浖浞掷昧藛纹瑱C的軟件中斷功能，系統的功能切換不需要外部開(kāi)關(guān)。

4結構緊湊、體積小、耗電少。

5設計了微機的軟件，可以對碰撞數據進(jìn)行深入地處理和研究，為控制系統的進(jìn)一步發(fā)展打下了基礎。

參考文獻

1 張金換．汽車(chē)安全氣袋系統的研究．清華大學(xué)學(xué)報，1997 11

2 尹武良．汽車(chē)安全氣袋控制系統的開(kāi)發(fā)研究博士學(xué)位論文．北京：清華大學(xué)汽車(chē)工程系，1999

3 王建群．汽車(chē)安全氣囊系統暨車(chē)載數據采集系統的研制博士學(xué)位論文．北京：清華大學(xué)汽車(chē)工程系，1995

4 MC68HC711E9 Technical Data．MOTOROLA