CN101817331A - 安全气囊智能控制系统 - Google Patents

Abstract

一种用于汽车安全气囊的智能控制系统，以32位高性能主控芯片LM3S1138为核心，配以必要的外围电路，包括三轴加速度传感器，重量传感器，触发电路，电压调节电路，串口通信电路，声光报警电路。各控制任务由嵌入实时操作系统uC/OS-II统一管理，对传感器采集的信号运用移动积分窗爆破算法判断是否达到引爆条件。该控制系统不仅可以较为准确控制点火触发时间，而且集成度高、体积小、可扩展性强。

Description

安全气囊智能控制系统

技术领域

本发明涉及汽车安全气囊控制领域，尤其是精确控制安全气囊点火触发时间的智能控制系统。

背景技术

文献[1]汪学方，杨俊波.汽车安全气囊智能控制系统设计[J]，《机械与电子》，2005(11)；[2]汽车安全气囊智能控制系统专利号：96241579.0；根据以上资料可以看出，目前，国内气囊研究主要采用8位单片机作为主控芯片，通过减速度传感器或者两轴加速度传感器对汽车碰撞信息进行采集，如果检查的信息超过所设阈值，发点火信号，通过触发电路触发气囊；文献[1]中还具有系统自检电路，包括对EEPROM、加速度传感器、点火电路和气囊的自检；通过串口通信电路对保存在单片机里的事故信息进行读取；通过安全警告灯为驾驶员提供气囊是否正常工作的可视信号；备用电源电路保证系统失去电源的情况下还能正常工作。

由于气囊引爆的条件很严格，与碰撞的速度、碰撞的角度、减速度值、变形量等等都有关系，如果控制芯片不能及时处理这些信号，会导致安全气囊引爆错误——汽车碰撞比较严重时却没有打开，有时不具备打开条件却突然打开伤到驾驶员或乘员。故需要安全气囊控制系统能在瞬间完成实时处理和复杂的运算，并在极短的时间内对碰撞事故作出处理，即要求其具有较高的运算速度，时滞较小，以适应汽车安全气囊的实时控制要求。

一般的8位单片机信号处理能力不强，在实际应用中，安全气囊时常未起到相应的保护作用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有气囊控制系统安全保护作用上的不足，提供一种智能型安全气囊控制系统，以降低现有安全气囊不能准确引爆所引发的安全隐患，并为多级智能型汽车安全气囊控制系统的研究提供平台。

本发明所采用的技术方案是：主控芯片选用TI公司基于ARM Cortex-M3内核的32位工业级微控处理器LM3S1138，利用其强大的数据处理功能实时处理传感器采集的信息，及时引爆安全气囊保护乘员安全。

控制系统主要由自检电路、传感器和数据采集电路、触发电路、备用电源电路、电压调节电路、通讯电路和报警电路等组成。

自检电路：上电后，系统首先对EEPROM、加速度传感器、点火电路等自检，确定触发电路是否可以正常工作。若触发电路存在故障，报警电路进行声光报警，表明系统无法正常工作，通知驾驶员及时修理。

传感器和数据采集电路：LM3S1138处理器内置8通道10位ADC，采样速率可达1M/s，精度足够用于安全气囊。各个传感器从相应的输出管脚输出电压值，通过LM3S1138处理器内置的ADC对电压值进行模数转换，再存入到软件设定的数组中。考虑到刚性碰撞和弹性碰撞在相同车速时后果截然不同，因此采用加速度作为引爆控制条件。控制系统选用三轴加速度传感器，为避免汽车高速驶过沟、坎路面时，在没有发生碰撞的情况下，也产生较大信号叠加在低速碰撞的碰撞波形上进而发生误爆，故当汽车Z轴(垂直方向)产生较大的加速度时，无论X轴方向加速度如何，安全气囊均设计为不启爆，以增强路面抗干扰性。

触发电路：由于气囊气体发生器的点爆时需20mA的电流脉冲。若直接用LM3S1138的I/O口输出高电平进行引爆，驱动过小，无法满足要求。系统选用电磁式继电器，在LM3S1138输出口的控制下可驱动大功率的负载。由于继电器会产生较明显的干扰，故在继电器周围加抗干扰电路的同时与光电耦合器配合使用，使得处理器与触发电路光电隔离。点火算法采用垂直量的移动窗积分算法，这种算法主要是考虑了汽车碰撞时的加速度因素，当加速度的积分达到一定值的时候，表示汽车的碰撞剧烈程度也到达一定值，会给乘员带来一定伤害，即刻引爆气囊。同时，考虑到国内很多人对安全气囊的保护作用不甚了解，副驾驶座位的安全气囊对婴儿或者身材过于矮小的儿童不仅起不到保护作用，相反气囊爆开时与儿童头部的瞬间接触力远远超过儿童的承受能力。因此利用重量传感器进行检测，如果检测人的重量在40kg以下，则认为是婴儿或者儿童，进行语音提醒关闭引爆气囊的开关，以降低气囊引爆对他们的伤害。

备用电源电路：防止碰撞后电路断电而不能引爆气囊，通过其自放电功能，向引爆电路输出应急电流，确保安全气囊及时引爆。

电压调节电路：汽车上电器负载变化频繁，许多电感线圈和开关通断时，都会造成负载电流突变。电压调节电路维持各元件工作电压平衡，使控制电路始终处于最佳状态，一旦出现短路或断路，报警灯立即点亮。

通讯电路：为便于分析事故原因，将碰撞前的90个数据和撞车后的90个数据都记录在LM3S1138内置的Flash中，PC机通过串行口读出气囊控制系统黑匣子中的数据，读取密码开发人员可自行设置。

本系统软件程序利用TI公司提供的驱动库例程进行模块化程序设计，把整个系统程序分为若干个小程序或模块，分别进行独立设计、编程、测试。最后将各模块构建一个完整的工程，完成应用程序设计。将整个工程分成了主程序、启动任务、加速度采样任务、串行通信任务等四大模块，通过嵌入uC/OS-II实时操作系统对各任务统一管理，加强了控制系统对外界信息的实时处理能力。

本发明的有益效果是：LM3S1138微处理器结合了Thumb-2指令32位哈佛微体系结构。Thumb-2技术提高了代码密度，比32位编码减少了26％内存使用率，较16位编码提高了25％性能。通过降低时钟频率，提供更低的功耗，降低了研发成本，提高了企业效率。

LM3S1138微处理器在芯片上采用了Tail-Chaining中断技术，该技术把中断之间的延迟缩短到6个机器周期，在实际应用中可减少70％中断，增强了程序的执行效率。可以在极短时间内对碰撞事故做出处理，瞬间完成实时处理和复杂运算，降低气囊误爆以及可能产生的副作用，降低引爆气囊而造成的经济损失。

LM3S1138微控制器是片上系统(SoC)，集成了ADC、模拟比较器、flash存储器等外设资源并且价格低廉，故构建的系统集成度高、体积小、成本低。

系统采用Cortex-M3内核处理器简化了软件开发环境。针对LM3S1138等一系列的微控制器，TI官方免费提供了基于C语言(符合ANSI C标准)的驱动库，它包含了众多固件函数库，对每一个外设都有相应例程，可以很方便地根据应用需要进行修改和移植。因此在软件编程时，无需汇编程序的软件管理，完全可以用驱动库C语言函数进行编程开发。开发应用程序时，利用驱动库的例程进行模块化设计，不仅程序编写方便，而且代码简洁、可读性强。对编写大型程序而言，采用驱动库能增强可靠性和安全性，同时降低维护成本。

32位CPU特别适于运行多任务实时系统，通过嵌入μC/OS-II实时操作系统，不仅可以充分发挥32位CPU的多任务潜力，提高系统可靠性和稳定性，使其更容易做到不崩溃，同时提高了系统的实时性。因为μC/OS-II是一个占先式的内核，即已经准备就绪的高优先级任务可以剥夺正在运行的低优先级任务的CPU使用权，只需把MMA7260采集到的加速度数据处理程序的优先级设定得高一些，中断结束后就会立即执行数据处理程序，加速度一旦达到设定阈值，即刻引爆气囊。

对安全气囊触发电路，从软、硬件两个角度考虑如果座位上为婴儿或者身材矮小的儿童不引爆气囊。这样既防止在无人入座的状态下引爆气囊而造成的经济损失，又避免了气囊对婴儿或身材矮小的儿童造成伤害。

由于LM3S1138微处理器多达46个I/O口，软件上采用实时操作系统进行管理，大大增强了系统的可扩展性，可在此基础上研发多级智能型汽车安全气囊控制系统。

附图说明：

图1安全气囊控制系统结构框图。

图2是智能安全气囊控制系统点火触发电路原理图。

图中，LM3S1138发点火信号PE0，光电耦合器U1，限流电阻R1，功率三极管Q1，二极管D1，电容C1，限流电阻R2，发光二极管DS1，二极管D2，电磁式继电器K1，电阻R3，电容C2，开关S1，JP1安全气囊点火装置接口。其中电阻阻值1K左右，电容容值0.1uf。

图3是智能安全气囊控制系统加速度采集原理图。

图中，MMA7260为三轴加速度传感器，电阻R1、R2、R3的阻值1K左右，电容C1，C2，C3的容值0.1nf。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施进一步说明：

图1安全气囊控制系统结构框图。其工作原理为：上电后，系统进行自检，确定触发电路是否可以正常工作。若触发电路存在故障，报警电路进行声光报警，表明系统无法正常工作，通知驾驶员及时修理。当自检正常时，通过32位微处理器LM3S1138不断对加速度传感器所测得的信号进行采样。当汽车受到一定角度内的高速碰撞时，系统在经过算法分析确认之后，立即触发气囊包内的点火器，气囊迅速充满气体，阻挡驾驶员与汽车构件之间可能发生的碰撞，通过气囊上排气孔的节流阻尼作用来缓冲吸收驾驶员动能，从而达到保护驾驶员安全的目的。

图2中LM3S1138控制器经过运算通过PE0口发点火触发信号(1)，经过光电耦合器(2)把微处理器与触发电路光电隔离，加强了电磁式继电器(10)的抗干扰能力。功率三极管(4)导通使得电磁式继电器(10)工作，驱动安全气囊点火装置。如果安放在座位下的重量传感器检测到人的重量在40kg以下，表明无人入座或身材矮小的儿童入座，就进行语音提示，打开控制开关，触发电路形成不了回路，即使汽车发生碰撞且算法发出点火信号，安全气囊也不爆破。

图3中三轴加速度传感器MMA7260(1)测得加速度后，从其输出管脚13输出X轴电压值、从其输出管脚14输出Y轴电压值、从其输出管脚15输出Z轴电压值，传至LM3S1138处理器内置的ADC对电压值进行模数转换，存入到软件设定的数组中，通过uC/OS-II实时操作系统调用优先级最高的加速度采样任务，对加速度值实时处理，一旦达到引爆条件，即刻引爆气囊。

Claims (1)

1.一种安全气囊智能控制系统，包括微控处理器、加速度传感器、点火触发电路、系统自检电路、串口通信电路、安全警告灯，其特征在于：

(1)微控处理器为32位高性能微控处理器LM3S1138，嵌入uC/OS-II操作系统；

(2)加速度传感器为三轴加速度传感器，与LM3S1138的1脚(ADC0)、2脚(ADC1)、5脚(ADC2)相连接；

(3)在副驾驶座下面设置重量传感器，与LM3S1138的6脚(ADC3)相连接；

(4)LM3S1138的72脚(PE0)与触发电路相连，JP1口与安全气囊点火装置相连。

Images