汽車智能安全系統(tǒng)

2005年2月A版
引言
    安全帶和安全氣囊是汽車碰撞事故中最有效的保護設施。據(jù)有關數(shù)據(jù)表明，佩帶座椅安全帶可以使碰撞事故中傷亡率減少15 %-30 %。安全氣囊對駕駛員和乘員的頭部、頸部安全再發(fā)生正面碰撞時有著十分明顯的保護作用。
    但是由于實際碰撞事故的復雜多樣性，無論是安全帶還是安全氣囊，其保護作用都有其局限性，而且如使用或設計不當還會帶來較大的負面影響。具體表現(xiàn)在：
    當小規(guī)模事故發(fā)生時，氣囊對乘員的傷害很有可能超過事故本身。當駕駛員乘坐位置過于靠近方向盤時，安全氣囊系統(tǒng)內(nèi)部氣體發(fā)生器約在30 ms內(nèi)將氣袋充滿，巨大的沖擊力將對離氣囊組件很近并處于膨脹方向的乘員的頭部和頸部造成嚴重傷害;按標準位置乘員設計的氣囊系統(tǒng)，極有可能對離位乘員和小身材婦女甚至兒童造成傷害；對于大尺寸乘員來說，碰撞中常常會將氣囊壓扁后與轉(zhuǎn)向盤碰撞，也就是說普通氣囊難以對大尺寸乘員起到應有的防護作用。
    就此擺在設計人員面前的問題就是：怎樣開發(fā)出一套針對個人而非針對標準的安全系統(tǒng)，這種系統(tǒng)要能夠?qū)Τ藛T情況進行實時監(jiān)控，并通過監(jiān)控得到的參數(shù)在碰撞過程中控制安全系統(tǒng)。
    開發(fā)新型智能安全系統(tǒng)的重要性毋庸置疑。按照美國的標準，到了2006年，所有的汽車都必須裝備此類系統(tǒng)?？梢院敛华q豫地說，開發(fā)汽車智能安全系統(tǒng)在今后將具有廣闊的市場前景。
    Freescale公司所開發(fā)的傳感器和微處理器在汽車控制方面具有很高的性能價格比。該公司最新開發(fā)的電場成像器件MC33794非常適合用于測量和人有關的物理參數(shù)（因為人體本身主要由水組成，而水里的金屬元素是人體成為具有常電解特性的良導體。）所以我們以該傳感器為核心，優(yōu)化了傳感器安排，重新設計了一個智能安全系統(tǒng)。此系統(tǒng)使用傳感器和高性能MCU來探測駕駛員的體型、位置和重量并決定安全帶和安全氣囊的工作狀態(tài)。

設計概述 
    本次設計的目標是開發(fā)一種通用的不限車型的智能安全系統(tǒng)。通過更新FLASH內(nèi)控制表格內(nèi)的數(shù)據(jù)調(diào)整相應的控制變量，該系統(tǒng)既能用作駕駛位安全汽囊控制系統(tǒng)，也能安裝在乘客位控制乘客位安全汽囊系統(tǒng)。利用

    單片機精確地控制安全氣囊的開放和安全帶的收緊程度，以此來避免因為安全氣囊的非必要或不充分打開而引起的人員傷亡。
   本系統(tǒng)并不直接控制安全氣囊與安全帶，而是作為CAN總線內(nèi)的一個節(jié)點，向?qū)嶋H控制安全氣囊和安全帶的微控制器發(fā)出部分控制參數(shù)。借以實現(xiàn)安全系統(tǒng)的智能化。
系統(tǒng)應具備的功能
智能氣囊開關控制
    關鍵因素是碰撞發(fā)生時的加速度。在國家鑒定試驗中，碰撞瞬時的加速度約為-40g；當由碰撞造成的減速度小于40g時氣囊不會打開。另外，考慮到氣囊并非針對兒童設計，當汽車發(fā)生碰撞時氣囊有可能對兒童造成致命傷害，故當乘員為乘坐姿勢不當?shù)膬和w重小于30公斤）時，氣囊將永遠不會打開。（建議使用帶有兒童安全帶的反向安全座位）。
雙氣囊噴射口多級延時噴射
    為了能夠?qū)崿F(xiàn)在發(fā)生汽車碰撞時，不同體型的人受到不同膨脹程度的氣囊的保護， 我們采用了雙氣囊噴射口模型。并且通過控制每個噴射口相對碰撞時刻的延時長短來控制氣囊開始膨脹的時刻及最終膨脹程度。
    采用上述的功能設計是因為經(jīng)研究表明，并非在汽車發(fā)生碰撞之后立即打開氣囊就能取得最好的保護效果，而是要經(jīng)過一段延時（典型值10ms）。延時具體值則取決于碰撞導致的汽車加速度和乘員體型的大小。
安全帶預調(diào)整。
    在發(fā)生碰撞時，汽車安全智能系統(tǒng)通過采樣MC33794電場成像器件檢測的各電極電壓值來獲取乘員的乘坐姿勢與位置，若乘客身體過于接近方向盤則提前收緊安全帶，減小OOP（out of position）程度，進一步保證乘客安全。
系統(tǒng)原理
    OOP的概念：即out of position,是指駕駛員在駕駛時偏離正確的坐姿而靠近方向盤的情況。本方案中多次用到這一概念，故在此強調(diào)說明。
    系統(tǒng)組成如上圖一所示。駕駛員坐上座位時，電場成像器件MC33794則通過查詢循環(huán)不斷檢測駕駛艙內(nèi)電場變化，得到駕駛員實時的位置/坐姿參數(shù)（由傳感器各電極電壓匹配乘員姿勢的示意圖如右邊所示）；放在座位下的壓強傳感器將駕駛員對座位的壓強參數(shù)傳給MCU，；同時安全帶傳感器（本系統(tǒng)簡化為一個開關電路）則負責將駕駛員是否系上安全帶的信號傳給MCU。
    當汽車速度急速下降時，若加速度大于中斷閥值（即使得單片機進入中斷服務程序的加速度），則向MCU發(fā)出外部中斷，MCU將加速度傳感器得到的模擬量A/D轉(zhuǎn)化后判斷該加速度是否超過安全氣囊的開啟閥值。若已超過，則將各傳感器得到的參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)椴楸淼刂?詳細的闡述見第四部分軟件描述)，進而查表得到氣囊參數(shù)受傳感器參數(shù)。
    中斷服務程序的加速度，則向MCU發(fā)出外部中斷，MCU將加速度傳感器得到的模擬量A/D轉(zhuǎn)化后判斷該加速度是否超過安全氣囊的開啟閥值。若已超過，則將各傳感器得到的參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)椴楸淼刂?詳細的闡述見第四部分軟件描述)，進而查表得到氣囊控制信號。
上面所提到的中斷閥值與氣囊開啟閥值是兩個不同的概念，產(chǎn)生中斷的加速度閥值處于由于輕微碰撞應起的加速度和由于急剎車引起的加速度之間（大約20g）。而氣囊開啟加速度則大于這個值，根據(jù)國家規(guī)定，碰撞瞬時的加速度閥值為-40g左右。
    氣囊最終噴出氣體體積大小由是由一個還是兩個噴口噴氣以及噴氣延時長短決定；而噴氣口的數(shù)量以及噴氣延時長短又由經(jīng)過了A/D轉(zhuǎn)化的各傳感器測得的參數(shù)決定。
圖1  由電極電壓的乘員姿勢示意圖
圖2  車載智能安全系統(tǒng)組成

硬件描述
車載智能安全系統(tǒng)的硬件框圖如圖3。
圖3  車載智能安全系統(tǒng)電路框圖
MCU模塊
系統(tǒng)微處理器選擇MC68HC908GZ16，它的框圖如圖4。
* 圖4  68HC908GZ16結(jié)構(gòu)框圖及特點
* 選擇這塊芯片基于以下理由：
* 低成本：高速低價構(gòu)架，芯片只要不到＄4；內(nèi)帶TBM與CAN控制器，減少外界電路成本。
* 足夠的資源：系統(tǒng)有37個I/O口，可以很方便的與安全帶開關以及剎車電路相連。剩下的可  以留作以后擴展電路連接更多傳感器所用。內(nèi)置的八路（壓強傳感1路、加速度傳  感2路、電場成像器件5路）AD轉(zhuǎn)換口使與傳感器的聯(lián)機變得容易。
* 安全可靠：系統(tǒng)要有非常高的可靠性，MC68HC908 系列的芯片在穩(wěn)定性和抗干擾能力方面表現(xiàn)不俗，所以能極好地滿足這一要求。具有置COP 模塊，完成Watchdog 功能，防止軟件死鎖。
* 支持FLASH,便于產(chǎn)品開發(fā)，升級；針對不同車型下載不同控制數(shù)據(jù)。
* 模擬量采集模塊
* 電場成像器件MC33794
* MC33794是模擬量采集模塊的核心，它用來獲取駕駛乘員的位置/姿勢參數(shù)。
MC33794的工作原理如圖5所示。正弦波生成器與外接負載電阻配合產(chǎn)生120kHz的純正弦波，當電極的電場發(fā)生變化時，相應的電容值發(fā)生改變，測得的電壓與1/C成比例，即隨電容增加檢測的電壓減小。
圖5 MC33794工作原理
MC33794通過對安裝在車座位上的9個電極電壓大小的檢測可以得出駕駛乘員的位置/姿勢參數(shù)，從而判斷OOP情況。在本系統(tǒng)中,九個電極被安放在座位及周圍,用于測量乘員的姿勢信息。
圖6  電極位置與壓力傳感器的位置圖
壓強傳感器  MPXV5050DP (Freescale)
測量人的體重參數(shù)(0 to 300kg)，轉(zhuǎn)化為對椅子的壓強參數(shù)約為0 to 50kpa。選擇該傳感器的好處在于：
壓力范圍為50kpa，同時考慮冗余與精確度因素。
集成的5000系列不需要放大，非常容易與單片機相連
片上自帶進量程、偏移校準電路與溫度補償電路。
加速度傳感器
加速度傳感器 MMA1200D (Freescale)
   選擇MMA1200D的理由是：
⑴ 大測量范圍+-250g，適用于由于碰撞造成的加速度測量。
⑵ 隨時可以自檢，提高系統(tǒng)可靠性。
⑶ 提供狀態(tài)輸出，實現(xiàn)自動錯誤檢測。
數(shù)字量采集模塊
這里的數(shù)字量主要是兩個開關信號：
安全帶信號=>系了安全帶時為低點平；未系時為高電平。

軟件描述
系統(tǒng)輸出控制信號的延遲時間控制
 安全氣囊的控制要求有極高的實時性，一般情況下系統(tǒng)要在毫秒級的時間內(nèi)輸出控制信號。對于本系統(tǒng)而言控制信號的輸出延遲為：
輸出延遲時間=硬件延遲時間+MCU處理時間。
  本系統(tǒng)硬件延遲時間主要有A/D轉(zhuǎn)換的時間決定，而MCU自帶的A/D轉(zhuǎn)換時間略為17微秒。所以影響輸出延遲的主要因素是MCU處理時間。
本系統(tǒng)的輸出控制信號為氣囊的控制信號和安全帶預收緊的信號。氣囊的控制信號采取查表法來得到。輸入信號決定表的地址，表的內(nèi)容為輸出信號。查表時間為一個指令周期。
安全帶預收緊信號通過電傳感器的9個電極測得電壓值構(gòu)成的電壓曲線與人在正確坐姿情況下得出電壓曲線相比較，得到OOP的程度。由OOP的程度決定安全帶預收緊的程度。
查表所需時間為一個指令周期。測量比較OOP程度所需時間在微秒級。這樣，整個系統(tǒng)的控制信號輸出延遲（微秒級）遠遠小于現(xiàn)行規(guī)定的汽車碰撞后氣囊打開時間（為毫秒級）。
決定查表地址的輸入信號有3個：
經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的壓強參數(shù)。
經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的汽車加速度參數(shù)
是否系上安全帶信號
圖7、8為系統(tǒng)軟件流程圖。
圖7  主程序流程圖
圖8  外部中斷程序流程圖