关于基于PowerPC的汽车安全气囊控制系统的设计

0 引言

目前，汽车行车碰撞每年仍时有发生，安全气囊作为乘员保护的最后一道屏障，起到了巨大的保护作用。在安全气囊研究中，ECU控制系统设计起到了关键作用，其硬件的选型、威廉希尔官方网站 结构的设计对安全气囊系统的反应速度、处理能力、碰撞形式判断及点火算法的编程都起到了决定性作用，因此，不可不给予重视。

安全气囊控制系统主要由传感器、电子控制单元、气体发生器、气囊等组成，目前大多数已公开的电控单元系统设计仍有待改善。文献[1]设计了安全气袋点火威廉希尔官方网站 ，提出了漏点火与误点火的威廉希尔官方网站 设计，但随着电子产品的日新月异，现只能作为原理性参考，不适宜于威廉希尔官方网站 设计中。文献[2-3]设计了基于ARM Cortex内核的ECU控制系统，采用LM3S1138处理器，点火触发威廉希尔官方网站 采用模拟威廉希尔官方网站 ，驱动能力差。文献[4]采用16位恩智浦芯片MC9S12DG128结合MC33797点火控制策略，取得较好的效果，但性能提升空间较大。文献[5]采用Microchip公司的PIC16F914芯片，基于DSI总线协议开发控制系统，在加速度传感器传输速度方面有较好效果。本文通过总结以上设计思路，提出了一种以恩智浦MPC5634M为主芯片、TLE6710Q为电源管理和点火控制的控制系统，结合可变窗宽移动窗积分算法，在实时性和准确点火方面取得了较好的效果。

1 安全气囊控制系统架构设计

图1是安全气囊控制系统的主要构成，由微处理器MPC5634M、集成IC TLE6710Q、加速度传感器MMA6825BKW和CAN通信芯片PCA82C250等组成。

其中，MPC5634M是基于PowerPC架构的32位微处理器，使用8/16 MHz晶振可使主频升至80 MHz，保证高效快速的处理能力，具有2路DSPI通信模块、2路FlexCAN通信模块，具有1.5 MB的Flash及94 KB的SRAM，通过5 V电压供电。

TLE6710Q主要负责电源管理和点火控制功能，同时具有报警功能和K线故障诊断功能，可提供4路点火输出。

MMA6825BKW是恩智浦公司生产的一款过阻尼横向加速度计，可实现量程±100 g的两轴加速度输出，通过DSPI进行配置和输出，可支持3.3 V或5 V两种电压供电。

2 控制系统设计

2.1 工作原理

首先由加速度传感器MMA6825BKW实时检测车身运动时的加速度信号，通过DSPI将信号发送到处理器MPC5634M中。经过算法运算，若判断有碰撞发生，则发送点火信号到集成芯片TLE6710Q的点火控制模块中，点火控制模块导通点火威廉希尔官方网站 ，安全气囊起爆。

2.2 硬件设计

系统硬件主要由单片机最小系统、点火控制与电源管理模块、加速度采集系统、备用电源模块等组成。

2.2.1 单片机最小系统威廉希尔官方网站

为满足系统快速反应及计算处理性能，选用32位的恩智浦MPC5634M芯片，搭建包括电源威廉希尔官方网站 、晶振威廉希尔官方网站 、复位威廉希尔官方网站 、JTAG下载接口的最小系统威廉希尔官方网站 。电源供电由TLE6710Q芯片中的电源管理模块将30 V电压转换成5 V供电电压，同时，MCU内部带有稳压器模块，通过外接NPN晶体管输出1.2 V的电压作为MCU内核的低压供电，如图2所示。晶振威廉希尔官方网站 中选择8 MHz的石英晶体，可使MCU主频达到80 MHz。

2.2.2 点火控制威廉希尔官方网站 与电源管理威廉希尔官方网站

由于点爆安全气囊需要大电流通过，为保证顺利点火，需将汽车电源12 V升压为30 V作为点火威廉希尔官方网站 的供电电压，同时，需将其降压为5 V作为MCU和加速度传感器供电使用，升压原理图如图3所示。其中，EVZ是升压输出，电源通电后首先给EVZ充电并产生内部参考电压，通过Rvz1和Rvz2分压反馈，通过误差放大器、PWM比较器和逻辑驱动威廉希尔官方网站 后控制DMOS功率管的通断，从而实现升压，直至输出稳定的30 V电压，电压大小可通过控制Rvz1和Rvz2的阻值进行调节，电压调节公式如下：

式中：Vboost为升压电压，Rvz1、Rvz2为电阻。取Rvz1为44.2 kΩ, Rvz2为4.53 kΩ，即可升压至30 V。降压原理与升压原理相似，如图4，其中SVCC5端口通过DMOS功率管与EVZ连接。

2.2.3 点火威廉希尔官方网站 工作原理

气体发生器内有一个阻值约为2 Ω的桥丝，当有2 A电流脉冲持续2 ms以上通电时,桥丝即被烧断,气体发生器被点爆。点火威廉希尔官方网站 图如图5，其中两个DMOS管开关串联气体发生器接于点火威廉希尔官方网站 中，由串行外设接口（SPI）作为控制信号控制DMOS的通断来控制威廉希尔官方网站 。

2.2.4 加速度传感器模块

加速度传感器采用的是恩智浦公司的MMA6825BKW过阻尼横向加速度传感器，可测量相互垂直的两个方向的加速度，并内置了12路低通滤波，可根据需要在50 Hz与1 000 Hz之间滤掉噪音，将数据以10位精度通过DSPI接口传输到主控芯片。该传感器与标准串行外设接口(DSPI) 协议兼容，可轻松集成至安全气囊系统，并且提供arming引脚功能，降低了主碰撞传感器的数据损坏风险。威廉希尔官方网站 原理图如图6。

2.3 软件设计

在设计安全气囊程序时，应满足准确性、稳定性和快速性的基本要求，因此要求安全气囊点火算法精简有效，需目标点火时刻尽可能地接近最佳点火时刻，而目标点火时刻按照127 mm-30 ms准则确定，程序设计流程如图7。

3 实验验证与分析

3.1 抗干扰性分析

根据已有数据，当汽车以60 km/h速度正常行驶，在通过搓板路、卵石路等路面时，加速度峰值一般小于4 g，这种干扰可通过在硬件点火威廉希尔官方网站 中加入安全传感器或者在点火算法中融入算法启动阈值来过滤，从而排除干扰，而通过软件的方法更加稳定和高效，已被广泛应用。但当汽车在高速通过台阶路面时，由于加速度曲线与正常碰撞曲线比较相似[6](如图8所示)，因此，既要保证中低速碰撞气囊点爆，又要避免路面干扰时发生误点火现象，必须滤除这种干扰。

为减少成本，可通过信号发生器模拟某种干扰信号，并将此信号输入到安全气囊控制系统中，查看点火输出，即可判断控制系统的抗干扰效果[7]。原理流程图如图9，将干扰信号通过PC写入信号发生器中，信号发生器代替碰撞传感器作用，通过CAN线将干扰信号或者碰撞信号导入ECU中。最终，示波器接收电流探头传来的电流信号，检验点火信号是否存在。验证表明，当把图8所示的干扰信号导入时没有点火信号存在，把碰撞信号导入后，检测到了电流信号。

3.2 实车实验

为了测试系统在真实情况下的性能，将安全气囊ECU控制系统安装到某车型地板上进行实验，以50 km/h的速度进行刚性壁碰撞，检测到的加速度波形滤波后如图10所示。根据得到的假人头部位移曲线可知，对应头部位移127 mm的时刻是16 ms，即最佳点火时刻，而实验的实际点火时刻是16.6 ms，这与最佳点火时刻非常接近，证明算法有效。

4 结论

本设计通过使用PowerPC架构的32位微处理器MPC5634M，提升了控制系统的计算速度和处理能力，通过DSPI模块可快速实现TLE6710Q与加速度传感器的初始化和相互通信。加速度传感器可同时采集两个方向的加速度信号，结合点火算法的优化设计，降低了系统的误点火可能性。同时，采用的电源管理和点火控制集成芯片TLE6710Q可实现4通道点火与故障诊断能力，有效增加了系统的可靠性。实验结果表明，安全气囊控制系统不仅运行可靠，而且可有效排除误点火与漏点火情况，使气囊的实际点火时刻等于或接近最佳点火时刻。