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

　　關(guān)鍵詞: 汽車安全氣袋 控制系統(tǒng) 單片機(jī) 設(shè)計(jì)

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　　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(shí),，有效地保護(hù)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(hù)裝置——安全氣袋可以有效地保護(hù)乘員,，已經(jīng)在歐美等國得到普及,，成為保護(hù)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(tǒng)核心部件的控制系統(tǒng)是各生產(chǎn)廠家嚴(yán)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(hù)問題的關(guān)鍵。

　　氣袋控制系統(tǒng)的任務(wù)是準(zhǔn)確判斷出事故的碰撞強(qiáng)度，并點(diǎn)爆氣袋,?？刂葡到y(tǒng)主要有機(jī)械式、模擬電子式,、智能式幾種^[1],。第一、二代的機(jī)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(yīng)用正在減少?，F(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(jī)對電子式加速度傳感器測得的信號進(jìn)行計(jì)算，認(rèn)為發(fā)生了碰撞并且達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí),，輸出點(diǎn)火脈沖引爆氣體發(fā)生器,，迅速產(chǎn)生大量氣體充滿氣袋^[3]。智能控制系統(tǒng)的控制算法由軟件實(shí)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(jì)算機(jī)通訊等前兩代控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的功能。

　　本文在對國外先進(jìn)控制系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上,，提出了智能式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,，并對其進(jìn)行了臺車和實(shí)車試驗(yàn)，證明該控制系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地判斷撞車事故,，點(diǎn)爆氣袋,。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 氣袋控制系統(tǒng)的要求

　　由于工作任務(wù)的特殊性，汽車安全氣袋控制系統(tǒng)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(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求^[2]。

　　(1)抗干擾能力強(qiáng)

　　氣袋系統(tǒng)若發(fā)生誤點(diǎn)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(shí)會產(chǎn)生較大的減速度,，系統(tǒng)要能識別出這種狀況，不點(diǎn)燃?xì)獯?/P>

　　(2)高可靠性與工作穩(wěn)定性

　　由于汽車的工作環(huán)境復(fù)雜以及不允許出現(xiàn)點(diǎn)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(gè)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(fù)雜程度，提高可靠性,。同時(shí)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,。

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　　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(jī),、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(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以及打印機(jī)等后處理設(shè)備,。

　　相應(yīng)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(jī)部分,，包括實(shí)時(shí)采集與控制軟件和聯(lián)機(jī)通訊軟件;另一部分是微機(jī)部分,，包括聯(lián)機(jī)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(diǎn)爆氣袋、記錄事故數(shù)據(jù)后或系統(tǒng)自檢出現(xiàn)故障時(shí),，由上位機(jī)(微機(jī))通過RS-232接口和控制系統(tǒng)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(tǒng)硬件

　　電子控制單元是整個(gè)控制系統(tǒng)的重要硬件,，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、電源,、加速度測量,、氣袋點(diǎn)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(diǎn)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,。

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1.3.2 單片機(jī)

　　根據(jù)氣袋控制系統(tǒng)的要求，選擇MOTOROLA公司的MC68HC11E9單片機(jī),，它具有以下性能^[4]:

　　·有512字節(jié)RAM:可以在發(fā)生碰撞時(shí)采集一定數(shù)量的加速度信號,，作為判斷點(diǎn)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(jī)中而不用外擴(kuò)存儲器，減少了系統(tǒng)的復(fù)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(diǎn)火電路的檢查結(jié)果進(jìn)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的通訊,。

　　可見該型號單片機(jī)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(fù)雜程度,。單片機(jī)的時(shí)鐘頻率選擇為3MHz,，這個(gè)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(diǎn)爆氣袋的瞬時(shí),，系統(tǒng)的電流相當(dāng)大,，如果電源選擇不當(dāng)，無力提供大的瞬時(shí)電流而引起點(diǎn)火電壓大幅降低,，就可能無法點(diǎn)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(shí)間、高強(qiáng)度的電流,，一般情況下完全滿足點(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(tǒng)的復(fù)雜程度,。但是,，汽車電瓶工作時(shí)電壓波動非常大，因此電源部分需采取濾波等相應(yīng)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(diǎn)爆氣袋,，在電源部分設(shè)計(jì)了大電容蓄能,。

為了防止在電壓過低時(shí)系統(tǒng)誤操作，還設(shè)計(jì)了電源監(jiān)測電路,，用以實(shí)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(gè)優(yōu)點(diǎn):

　　(1)實(shí)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(jìn)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(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,，參考汽車碰撞試驗(yàn)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(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)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(jī)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(shè)計(jì)一個(gè)點(diǎn)火電路來完成這個(gè)任務(wù),。點(diǎn)火電路起到一個(gè)開關(guān)的作用,，平時(shí)處于常開狀態(tài)，點(diǎn)火時(shí)由單片機(jī)發(fā)出的點(diǎn)火信號控制開關(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(xù)一定時(shí)間。為了可靠點(diǎn)火,，點(diǎn)火電壓應(yīng)大于4V,，在這里使用電控單元的電源(即車載電瓶)作為點(diǎn)火電路的電源^[2],。圖3為點(diǎn)火電路的示意圖。

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　　在驅(qū)動電路中,，利用光電耦合實(shí)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(diǎn)火,，點(diǎn)火電路和氣袋之間串聯(lián)一個(gè)機(jī)械式安全傳感器,。它在原理上是一個(gè)機(jī)械式加速度傳感器，正常情況下處于常開狀態(tài),，當(dāng)減速度達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，傳感器閉合,，允許點(diǎn)火電流通過,。而一般的路面干擾不足以使之閉合，此時(shí),，即使有錯(cuò)誤的點(diǎn)火信號,，也不能點(diǎn)爆氣袋。

　　為了提高系統(tǒng)的可靠性,，點(diǎn)火電路設(shè)計(jì)有自檢能力和檢測氣袋狀況的能力,，當(dāng)發(fā)現(xiàn)不能可靠點(diǎn)爆氣袋時(shí)，通過系統(tǒng)驅(qū)動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(tǒng)軟件

1.4.1 單片機(jī)軟件

　　單片機(jī)的軟件有兩方面的用途，一方面是用于實(shí)現(xiàn)汽車碰撞中的實(shí)時(shí)車載數(shù)據(jù)采集和安全氣袋的點(diǎn)火控制;另一方面是實(shí)現(xiàn)車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同微機(jī)進(jìn)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(shè)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(diǎn)火電路和氣袋的自檢。自檢結(jié)束后保存結(jié)果,、設(shè)置故障代碼并打開中斷,，即進(jìn)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(shí)等待中斷發(fā)生,。

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　　數(shù)據(jù)采集與控制程序主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,，使用點(diǎn)火算法對所采數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并作出判斷，發(fā)出點(diǎn)火信號,。在點(diǎn)火后還要設(shè)置狀態(tài)代碼進(jìn)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(diǎn)火條件但仍有一定強(qiáng)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(shí)時(shí)中斷,，每1ms執(zhí)行一次,。

　　聯(lián)機(jī)通訊程序完成與微機(jī)的通訊，根據(jù)微機(jī)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(jī)軟件

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

2 試 驗(yàn)

　　汽車碰撞試驗(yàn)是檢驗(yàn)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(yàn)和實(shí)車試驗(yàn),。

2.1 臺車試驗(yàn)

　　試驗(yàn)由臺車撞擊液壓緩沖器模擬汽車的碰撞波形,，在清華大學(xué)汽車碰撞試驗(yàn)室的試驗(yàn)臺車上進(jìn)行。為了節(jié)約,，先由點(diǎn)火管代替氣袋觀察控制系統(tǒng)的工作情況,，試驗(yàn)車速由10km/h遞增至48km/h，車速低于20km/h時(shí)不應(yīng)點(diǎn)火,，高于30km/h時(shí)應(yīng)該點(diǎn)火^[1],。表1為試驗(yàn)時(shí)控制器的工作情況。

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

2.2 實(shí)車試驗(yàn)

　　使用某型號國產(chǎn)轎車做控制系統(tǒng)的實(shí)車試驗(yàn)，實(shí)測碰撞速度為49.2km/h,?？刂葡到y(tǒng)準(zhǔn)確地點(diǎn)爆了氣袋，并記錄了數(shù)據(jù)。圖6為這次試驗(yàn)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(shè)計(jì),，此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了氣袋控制系統(tǒng)的全部功能，包括氣袋點(diǎn)爆,、故障診斷指示,、數(shù)據(jù)采集、聯(lián)機(jī)通訊等,。該控制系統(tǒng)已通過了國家驗(yàn)收,，正在準(zhǔn)備投入批量生產(chǎn)。它具有以下特點(diǎn):

????(1)實(shí)現(xiàn)了電路的自診斷,，包括內(nèi)存自檢,、傳感器自診斷、點(diǎn)火電路自診斷和氣袋自診斷等,，并可通過指示燈顯示和聯(lián)機(jī)通訊兩種方式通知給使用者,。

　　(2)設(shè)計(jì)了使用光電隔離和機(jī)械式安全傳感器的點(diǎn)火電路，該電路可靠,、抗干擾能力強(qiáng),，并且具有診斷氣袋和點(diǎn)火電路的功能,。

　　(3)結(jié)合硬件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火控制?？刂栖浖浞掷昧藛纹瑱C(jī)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(shè)計(jì)了微機(jī)的軟件,，可以對碰撞數(shù)據(jù)進(jìn)行深入地處理和研究,，為控制系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展打下了基礎(chǔ)。

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參考文獻(xiàn)

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