0 引言

目前，汽車行車碰撞每年仍時(shí)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(dòng)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(dòng)窗積分算法，在實(shí)時(shí)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。

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(shí)具有報(bào)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(shí)檢測車身運(yùn)動(dòng)時(shí)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(shí)，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。

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(shí)，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(dòng)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：

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。

2.2.3 點(diǎn)火電路工作原理

氣體發(fā)生器內(nèi)有一個(gè)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(shí),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(gè)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。

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(gè)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(xiǎn)。電路原理圖如圖6。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)安全氣囊程序時(shí)，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(shí)刻盡可能地接近最佳點(diǎn)火時(shí)刻，而目標(biāo)點(diǎn)火時(shí)刻按照127 mm-30 ms準(zhǔn)則確定，程序設(shè)計(jì)流程如圖7。

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(shí)，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(dòng)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(shí)，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(shí)發(fā)生誤點(diǎn)火現(xiàn)象，必須濾除這種干擾。

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(shí)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。

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(shí)刻是16 ms，即最佳點(diǎn)火時(shí)刻，而實(shí)驗(yàn)的實(shí)際點(diǎn)火時(shí)刻是16.6 ms，這與最佳點(diǎn)火時(shí)刻非常接近，證明算法有效。

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(shí)采集兩個(gè)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(shí)，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(shí)刻等于或接近最佳點(diǎn)火時(shí)刻。