汽车安全气囊控制器的设计研究

摘要：本文简单介绍了安全气囊控制器（ACU）的工作原理及其各个功能模块，重点对ACU的点火模块电路进行了设计与研究，同时探讨了一种点火控制算法，并在软件滤波及积分上给出了可行的解决方案。

主题词：安全气囊ACU点火算法

1引言

汽车安全气囊是一种被动的安全装置，是汽车乘员辅助保护系统SRS（Supplemental Restraint System）的重要组成部分，当汽车与汽车或障碍物发生碰撞，称为“一次碰撞”，一次碰撞后汽车的速度下降，车内驾驶员和乘员由于惯性的作用继续向原方向运动，并与汽车室内物体接触产生另一次碰撞，称为“二次碰撞”。显然，第一次碰撞没有直接造成人员受伤，而第二次碰撞才是驾驶员和乘员受伤的原因。车速越高，惯性越大，遭受伤害的程度越严重。安全气囊控制器（Airbag Control Unit，下简称ACU）的作用是：在汽车发生碰撞导致车速急剧变化时，传感器将感知到的信号传输给ACU，ACU对碰撞的程度进行识别，决定是否发出点火信号，一旦确认发出点火信号，气体发生器将在很短的时间内（30ms）产生大量的气体，气囊迅速膨胀，在驾驶员、乘员和车内构件之间迅速铺垫一个气垫，使驾驶员、乘员的头部、胸部压在充满气体的气囊上，从而减轻人体遭受伤害的程度。在碰撞的过程中，实现对驾乘人员的安全保护，是安全气囊系统研制的主要内容，而作为其执行部件的ACU的稳定性和可靠性起到了至关重要的作用，本文提出一种ACU的设计方案。

2ACU系统结构

ACU主要由数据采集模块、数据处理、存储及控制模块、点火系统、通讯模块、电源模块、报警驱动模块组成，其结构图如图1所示。其中，数据采集模块主要由分布于各检测点的加速度传感器（含卫星传感器、中央传感器）、安全传感器及相应的A／D转换器组成，用于对外部数据的测量；电源模块包括提供各器件正常工作时所需要的电源以及在碰撞瞬间电池松脱时仍可供各功能模块芯片继续工作200ms左右的备用电源；检测模块负责对系统电路自身的检测，确保系统正常工作；数据处理、存储及控制模块一般采用一个具有可编程能力的微处理器，用于对采集到的数据进行处理并做出相应的判断，来控制外部执行器件（如点火系统）的动作，同时可以存储故障及点火信息供外部检测仪器读取；点火系统作为安全气囊系统的执行部分，负责完成微处理器的点火指令；通讯模块主要负责安全气囊系统与车内其它系统及外部仪器的通信；报警驱动模块主要负责将故障信号送到汽车组合仪表上进行显示，一般采用闪码的方式。

图1ACU系统结构图

由图1结构图所示，其中电源模块本方案采用Infineon公司的电源芯片TLE6711G，该芯片具有升压、降压、逻辑电压输出以及看门狗功能，可作为ACU的工作电源及备用电源；卫星传感器的数据采集通过PSI5通讯接口电路接入MCU，中央传感器选用Freescale公司的MMA22XXEG，它输出的模拟信号直接进入MCU的A/D口进行模数转换；通讯模块根据需要选用专用的K-line串口芯片或者CAN总线芯片。本方案的设计重点在于点火模块的设计以及点火控制算法的设计，下面将分别作以介绍。

3点火模块设计

3.1硬件设计

本方案点火控制模块选用Freescale公司的4通道点火驱动芯片MC33797，该芯片具有强大的自身故障诊断与系统控制功能，它包含一个兼容8位串行接口（SPI），可用于实现微处理器与芯片的通信。微处理器可以通过SPI接口来设置并读取内部诊断的结果。点火回路电阻的大小、对电源对地的短路、自身开路、点火回路间的短路等都可以通过诊断设置来进行诊断。处理器要想对该驱动芯片进行正确的控制和诊断，必须通过主从芯片间的SPI通信来实现。SPI是一种高速的，全双工同步通信总线，其工作模式有两种：主模式和从模式，支持3Mb／s的速率，并且还具有传输完成标志和写冲突保护标志。通过SPI接口可以实现面向字节的短距离高速全双工同步通信，接口时序图如图2所示。

图2SPI时序图

图2中：CSB为片选信号，CLK为同步时钟信号，DI为输人数据，DO为输出数据。对于自身带有SPI接口的处理器而言。只要将主器件SPI接口与从器件SPI接口相连(包括数据输入、数据输出、同步时钟、使能四跳线)即可。而对于自身没有SPI接口的处理器则需要用软件模拟SPI的方式与MC33797进行通信。与硬件SPI接口相似，同样需要四条线分别连接到从SPI器件相对应的四个接口。但此时主器件的四个接口必须用软件模拟SPI通信的时序。并且要对发送和接收的数据用软件方式进行发送和保存。

基于以上分析，对该引爆控制系统的硬件设计如图3所示。系统中主处理器选用MICROCHIP公司的PICl6F873芯片，该单片机本身具有一个硬件SPI接口，只要将该单片机SPI接口的四条线与MC33797芯片相连就可以进行主从芯片间的通信操作了。驱动芯片工作方式选择标准的四通道驱动，具体点火控制电路图如图3。

图3点火控制电路图

3.2软件设计

点火模块软件部分是整个系统的重要组成部分，主要是对驱动芯片相应的工作状态进行选择，并根据芯片规定的通信协议。发送与之相对应的控制命令，从而完成对引爆电路的控制。驱动芯片控制命令如表1所示。

表1驱动芯片控制命令表

其软件工作流程如图4所示：

图4点火控制软件工作流程图

当驱动芯片处于自诊断工作模式时。在发送数据的同时，可以得到芯片对该数据的执行结果反馈，通过判断反馈的结果，就可以判断芯片相应的状态。MC33797驱动芯片提供了强大的故障诊断功能．可以对电阻大小、短路、开路等各种情况进行诊断，确保引爆系统正常工作。

4ACU点火算法设计

ACU点火算法需要解决以下三个问题。第一个是最佳时刻确定问题，目前普遍采用5in 30ms准则来确定安全气囊点火时刻。该时刻乘员向前移动接触到气囊，此时气囊刚好达到最大体积，这样的保护效果最好；第二个是安全气囊的可靠性问题，也就是对于急刹车、过路坎和其他非破坏性碰撞时引起的冲击信号的抗干扰能力，防止气囊误点火；第三个就是安全气囊控制技术的基本指标。车辆在很低车速行驶而发生碰撞事故时，只要驾驶员和乘员系上了安全带，是不需要气囊打开起保护作用的。

在汽车发生碰撞时，碰撞速度越高，达到某一加速度值的时间越短，速度变化越快，这就要求高速碰撞的点火时刻相对于较低的速度要提前。ACU在通过加速度传感器芯片获得的加速度信号，通常需要对加速度信号经过滤波得到有用的信息，再将其通过积分，得到速度信号（驾驶员和乘员与车子的相对速度）从而时时判断气囊是否需要打开，若达到气囊打开的条件，ACU则当机立断地发出点火指令。同样在角度和正面柱障碰撞等条件下也可采用相同的方法设定点火阈值，下面将对软件滤波和积分算法进行探讨。

4.1滤波方法

一般软件滤波方法有限幅滤波、中位值平均滤波法等10种方法，这10种滤波方法各有优缺点，在经过分析比较后，本方案ACU软件滤波采用了中位值平均滤波算法，该滤波方法连续采样10个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算8个数据的算术平均值。该滤波方法具有可消除由于偶然出现的脉冲干扰所引起的采样值偏差的优点，缺点就是测量速度较慢，只要采样率设置合适即能克服这一缺点。

4.2积分算法

软件积分算法通常采用复合梯形积分算法和龙贝格积分算法。

复合梯形积分公式见下公式（1）：

利用龙贝格序列求积分算法称为龙贝格算法，龙贝格积分公式见下公式（2）：

复化梯形递推公式算法简单，编程方便，但是收敛速度较慢；复合梯形积分算法是将每次采样滤波后的加速度作为积分数值，采样时间为步长，可以实现时时积分。龙贝格积分公式是梯形积分公式的加速版，收敛速度快；龙贝格算法具有占用内存少、精确度高的优点。

5 结论

本文在简单介绍ACU工作原理和各个功能模块的基础上，对ACU的点火模块电路进行了设计与研究，采用4通道驱动芯片MC33797设计的安全气囊点火模块，充分利用了该芯片强大的自诊断能力和易于控制的特点，同一般的点火系统相比提高了点火的稳定性和精确度；同时探讨了一种简单的、可行的点火控制算法，当然安全气囊点火控制算法存在多种，包括目前流行的移动窗式积分法、数据融合改进型移动窗积分法等，这些算法在结合实际项目开发时可以灵活运用。

参考文献

［1］ Freescale．MC33797 Datasheet[Z]．2006．7．

［2］ 蔡纯洁．PIC全系列单片机原理与开发[M]．合肥：中国科学技术大学出版社，2003．

［3］ 王建群，张金换，黄世霖，汽车安全气囊点火控制算法的研究[J].汽车工程

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。