《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于PowerPC的汽車安全氣囊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
周天元1，2，曹立波2，張飛鐵2，吳夢華3
1.聯(lián)創(chuàng)汽車電子有限公司，上海 201206；2.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙410082； 3.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海200120
摘要： 為減小駕駛員和乘員的傷害，安全氣囊系統(tǒng)已成為重要的安全設(shè)備。隨著安全氣囊數(shù)量的增多，對ECU控制器的實(shí)時性、運(yùn)算速度等要求也越來越高，同時為了增加點(diǎn)火算法的抗干擾性及穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了一款以32位微處理器MPC5634M為主芯片的安全氣囊控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括TLE6710Q集成芯片，可實(shí)現(xiàn)電源管理和點(diǎn)火控制，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用MMA6825BKW加速度傳感器檢測車身雙向加速度，軟件編程通過可變窗寬移動窗積分算法來判斷是否需要點(diǎn)爆安全氣囊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)有效解決了誤點(diǎn)火與漏點(diǎn)火的問題，從而提高點(diǎn)爆的準(zhǔn)確率與穩(wěn)定性。
中圖分類號： TN602
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.171264
中文引用格式： 周天元，曹立波，張飛鐵，等. 基于PowerPC的汽車安全氣囊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(10)：63-66.
英文引用格式： Zhou Tianyuan，Cao Libo，Zhang Feitie，et al. Design of automotive airbag control system based on the PowerPC[J].Application of Electronic Technique，2017，43(10)：63-66.
Design of automotive airbag control system based on the PowerPC
Zhou Tianyuan1，2，Cao Libo2，Zhang Feitie2，Wu Menghua3
1.DIAS Automotive Electronic Systems Co.，Ltd，Shanghai 201206，China； 2.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle body，Hunan University，Changsha 410082，China； 3.Pan Asia Technical Automotive Center Co.，Ltd，Shanghai 200120，China
Abstract： In order to reduce the driver and occupant injury, the airbag control system has become an important safety protection equipment. With the increasing number of airbags, it′s getting higher required on the real-time performance and the speed of ECU controller. At the same time, in order to increase the anti-interference and stability of the ignition algorithm, this paper designed an airbag control system based on 32 bit microprocessor MPC5634M. The system includes TLE6710Q integrated chip to achieve power management and ignition control, the system also includes MMA6825BKW acceleration sensor to detect the vehicle body acceleration. The software was programmed to determine if the airbag should be ignited by means of a variable width moving window integral algorithm. The test results show that the control system can effectively solve the problem of false positive ignition and false negative ignition, so as to improve the accuracy and stability of the algorithm.
Key words : airbag；MPC5634M；acceleration sensor；moving window integration

0 引言

    目前，汽車行車碰撞每年仍時有發(fā)生，安全氣囊作為乘員保護(hù)的最后一道屏障，起到了巨大的保護(hù)作用。在安全氣囊研究中，ECU控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)起到了關(guān)鍵作用，其硬件的選型、電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對安全氣囊系統(tǒng)的反應(yīng)速度、處理能力、碰撞形式判斷及點(diǎn)火算法的編程都起到了決定性作用，因此，不可不給予重視。

    安全氣囊控制系統(tǒng)主要由傳感器、電子控制單元、氣體發(fā)生器、氣囊等組成，目前大多數(shù)已公開的電控單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍有待改善。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了安全氣袋點(diǎn)火電路，提出了漏點(diǎn)火與誤點(diǎn)火的電路設(shè)計(jì)，但隨著電子產(chǎn)品的日新月異，現(xiàn)只能作為原理性參考，不適宜于電路設(shè)計(jì)中。文獻(xiàn)[2-3]設(shè)計(jì)了基于ARM Cortex內(nèi)核的ECU控制系統(tǒng)，采用LM3S1138處理器，點(diǎn)火觸發(fā)電路采用模擬電路，驅(qū)動能力差。文獻(xiàn)[4]采用16位恩智浦芯片MC9S12DG128結(jié)合MC33797點(diǎn)火控制策略，取得較好的效果，但性能提升空間較大。文獻(xiàn)[5]采用Microchip公司的PIC16F914芯片，基于DSI總線協(xié)議開發(fā)控制系統(tǒng)，在加速度傳感器傳輸速度方面有較好效果。本文通過總結(jié)以上設(shè)計(jì)思路，提出了一種以恩智浦MPC5634M為主芯片、TLE6710Q為電源管理和點(diǎn)火控制的控制系統(tǒng)，結(jié)合可變窗寬移動窗積分算法，在實(shí)時性和準(zhǔn)確點(diǎn)火方面取得了較好的效果。

1 安全氣囊控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

    圖1是安全氣囊控制系統(tǒng)的主要構(gòu)成，由微處理器MPC5634M、集成IC TLE6710Q、加速度傳感器MMA6825BKW和CAN通信芯片PCA82C250等組成。

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    其中，MPC5634M是基于PowerPC架構(gòu)的32位微處理器，使用8/16 MHz晶振可使主頻升至80 MHz，保證高效快速的處理能力，具有2路DSPI通信模塊、2路FlexCAN通信模塊，具有1.5 MB的Flash及94 KB的SRAM，通過5 V電壓供電。

    TLE6710Q主要負(fù)責(zé)電源管理和點(diǎn)火控制功能，同時具有報警功能和K線故障診斷功能，可提供4路點(diǎn)火輸出。

    MMA6825BKW是恩智浦公司生產(chǎn)的一款過阻尼橫向加速度計(jì)，可實(shí)現(xiàn)量程±100 g的兩軸加速度輸出，通過DSPI進(jìn)行配置和輸出，可支持3.3 V或5 V兩種電壓供電。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

    首先由加速度傳感器MMA6825BKW實(shí)時檢測車身運(yùn)動時的加速度信號，通過DSPI將信號發(fā)送到處理器MPC5634M中。經(jīng)過算法運(yùn)算，若判斷有碰撞發(fā)生，則發(fā)送點(diǎn)火信號到集成芯片TLE6710Q的點(diǎn)火控制模塊中，點(diǎn)火控制模塊導(dǎo)通點(diǎn)火電路，安全氣囊起爆。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)硬件主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、點(diǎn)火控制與電源管理模塊、加速度采集系統(tǒng)、備用電源模塊等組成。

2.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

    為滿足系統(tǒng)快速反應(yīng)及計(jì)算處理性能，選用32位的恩智浦MPC5634M芯片，搭建包括電源電路、晶振電路、復(fù)位電路、JTAG下載接口的最小系統(tǒng)電路。電源供電由TLE6710Q芯片中的電源管理模塊將30 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V供電電壓，同時，MCU內(nèi)部帶有穩(wěn)壓器模塊，通過外接NPN晶體管輸出1.2 V的電壓作為MCU內(nèi)核的低壓供電，如圖2所示。晶振電路中選擇8 MHz的石英晶體，可使MCU主頻達(dá)到80 MHz。

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2.2.2 點(diǎn)火控制電路與電源管理電路

    由于點(diǎn)爆安全氣囊需要大電流通過，為保證順利點(diǎn)火，需將汽車電源12 V升壓為30 V作為點(diǎn)火電路的供電電壓，同時，需將其降壓為5 V作為MCU和加速度傳感器供電使用，升壓原理圖如圖3所示。其中，EVZ是升壓輸出，電源通電后首先給EVZ充電并產(chǎn)生內(nèi)部參考電壓，通過Rvz1和Rvz2分壓反饋，通過誤差放大器、PWM比較器和邏輯驅(qū)動電路后控制DMOS功率管的通斷，從而實(shí)現(xiàn)升壓，直至輸出穩(wěn)定的30 V電壓，電壓大小可通過控制Rvz1和Rvz2的阻值進(jìn)行調(diào)節(jié)，電壓調(diào)節(jié)公式如下：

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式中：Vboost為升壓電壓，Rvz1、Rvz2為電阻。取Rvz1為44.2 kΩ, Rvz2為4.53 kΩ，即可升壓至30 V。降壓原理與升壓原理相似，如圖4，其中SVCC5端口通過DMOS功率管與EVZ連接。

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2.2.3 點(diǎn)火電路工作原理

    氣體發(fā)生器內(nèi)有一個阻值約為2 Ω的橋絲，當(dāng)有2 A電流脈沖持續(xù)2 ms以上通電時,橋絲即被燒斷,氣體發(fā)生器被點(diǎn)爆。點(diǎn)火電路圖如圖5，其中兩個DMOS管開關(guān)串聯(lián)氣體發(fā)生器接于點(diǎn)火電路中，由串行外設(shè)接口（SPI）作為控制信號控制DMOS的通斷來控制電路。

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2.2.4 加速度傳感器模塊

    加速度傳感器采用的是恩智浦公司的MMA6825BKW過阻尼橫向加速度傳感器，可測量相互垂直的兩個方向的加速度，并內(nèi)置了12路低通濾波，可根據(jù)需要在50 Hz與1 000 Hz之間濾掉噪音，將數(shù)據(jù)以10位精度通過DSPI接口傳輸?shù)街骺匦酒?。該傳感器與標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口(DSPI) 協(xié)議兼容，可輕松集成至安全氣囊系統(tǒng)，并且提供arming引腳功能，降低了主碰撞傳感器的數(shù)據(jù)損壞風(fēng)險。電路原理圖如圖6。

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2.3 軟件設(shè)計(jì)

    在設(shè)計(jì)安全氣囊程序時，應(yīng)滿足準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和快速性的基本要求，因此要求安全氣囊點(diǎn)火算法精簡有效，需目標(biāo)點(diǎn)火時刻盡可能地接近最佳點(diǎn)火時刻，而目標(biāo)點(diǎn)火時刻按照127 mm-30 ms準(zhǔn)則確定，程序設(shè)計(jì)流程如圖7。

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3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1 抗干擾性分析

    根據(jù)已有數(shù)據(jù)，當(dāng)汽車以60 km/h速度正常行駛，在通過搓板路、卵石路等路面時，加速度峰值一般小于4 g，這種干擾可通過在硬件點(diǎn)火電路中加入安全傳感器或者在點(diǎn)火算法中融入算法啟動閾值來過濾，從而排除干擾，而通過軟件的方法更加穩(wěn)定和高效，已被廣泛應(yīng)用。但當(dāng)汽車在高速通過臺階路面時，由于加速度曲線與正常碰撞曲線比較相似[6](如圖8所示)，因此，既要保證中低速碰撞氣囊點(diǎn)爆，又要避免路面干擾時發(fā)生誤點(diǎn)火現(xiàn)象，必須濾除這種干擾。

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    為減少成本，可通過信號發(fā)生器模擬某種干擾信號，并將此信號輸入到安全氣囊控制系統(tǒng)中，查看點(diǎn)火輸出，即可判斷控制系統(tǒng)的抗干擾效果[7]。原理流程圖如圖9，將干擾信號通過PC寫入信號發(fā)生器中，信號發(fā)生器代替碰撞傳感器作用，通過CAN線將干擾信號或者碰撞信號導(dǎo)入ECU中。最終，示波器接收電流探頭傳來的電流信號，檢驗(yàn)點(diǎn)火信號是否存在。驗(yàn)證表明，當(dāng)把圖8所示的干擾信號導(dǎo)入時沒有點(diǎn)火信號存在，把碰撞信號導(dǎo)入后，檢測到了電流信號。

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3.2 實(shí)車實(shí)驗(yàn)

    為了測試系統(tǒng)在真實(shí)情況下的性能，將安全氣囊ECU控制系統(tǒng)安裝到某車型地板上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以50 km/h的速度進(jìn)行剛性壁碰撞，檢測到的加速度波形濾波后如圖10所示。根據(jù)得到的假人頭部位移曲線可知，對應(yīng)頭部位移127 mm的時刻是16 ms，即最佳點(diǎn)火時刻，而實(shí)驗(yàn)的實(shí)際點(diǎn)火時刻是16.6 ms，這與最佳點(diǎn)火時刻非常接近，證明算法有效。

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4 結(jié)論

    本設(shè)計(jì)通過使用PowerPC架構(gòu)的32位微處理器MPC5634M，提升了控制系統(tǒng)的計(jì)算速度和處理能力，通過DSPI模塊可快速實(shí)現(xiàn)TLE6710Q與加速度傳感器的初始化和相互通信。加速度傳感器可同時采集兩個方向的加速度信號，結(jié)合點(diǎn)火算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)的誤點(diǎn)火可能性。同時，采用的電源管理和點(diǎn)火控制集成芯片TLE6710Q可實(shí)現(xiàn)4通道點(diǎn)火與故障診斷能力，有效增加了系統(tǒng)的可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，安全氣囊控制系統(tǒng)不僅運(yùn)行可靠，而且可有效排除誤點(diǎn)火與漏點(diǎn)火情況，使氣囊的實(shí)際點(diǎn)火時刻等于或接近最佳點(diǎn)火時刻。

參考文獻(xiàn)

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[7] 徐盼盼.基于比功率點(diǎn)火算法的汽車安全氣囊控制系統(tǒng)研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2012.



作者信息：

周天元1，2，曹立波2，張飛鐵2，吳夢華3

（1.聯(lián)創(chuàng)汽車電子有限公司，上海 201206；2.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙410082；

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