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(hù)設(shè)施。據(jù)有關(guān)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(duì)駕駛員和乘員的頭部、頸部安全再發(fā)生正面碰撞時(shí)有著十分明顯的保護(hù)作用。
    但是由于實(shí)際碰撞事故的復(fù)雜多樣性，無論是安全帶還是安全氣囊，其保護(hù)作用都有其局限性，而且如使用或設(shè)計(jì)不當(dāng)還會(huì)帶來較大的負(fù)面影響。具體表現(xiàn)在：
    當(dāng)小規(guī)模事故發(fā)生時(shí)，氣囊對(duì)乘員的傷害很有可能超過事故本身。當(dāng)駕駛員乘坐位置過于靠近方向盤時(shí)，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(duì)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(yán)重傷害;按標(biāo)準(zhǔn)位置乘員設(shè)計(jì)的氣囊系統(tǒng)，極有可能對(duì)離位乘員和小身材婦女甚至兒童造成傷害；對(duì)于大尺寸乘員來說，碰撞中常常會(huì)將氣囊壓扁后與轉(zhuǎn)向盤碰撞，也就是說普通氣囊難以對(duì)大尺寸乘員起到應(yīng)有的防護(hù)作用。
    就此擺在設(shè)計(jì)人員面前的問題就是：怎樣開發(fā)出一套針對(duì)個(gè)人而非針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的安全系統(tǒng)，這種系統(tǒng)要能夠?qū)Τ藛T情況進(jìn)行實(shí)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)，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(chǎng)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(jià)格比。該公司最新開發(fā)的電場(chǎng)成像器件MC33794非常適合用于測(cè)量和人有關(guān)的物理參數(shù)（因?yàn)槿梭w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(dǎo)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(shè)計(jì)了一個(gè)智能安全系統(tǒng)。此系統(tǒng)使用傳感器和高性能MCU來探測(cè)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(shè)計(jì)概述 
    本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)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(yīng)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(jī)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?yàn)榘踩珰饽业姆潜匾虿怀浞执蜷_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(gè)節(jié)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)安全系統(tǒng)的智能化。
系統(tǒng)應(yīng)具備的功能
智能氣囊開關(guān)控制
    關(guān)鍵因素是碰撞發(fā)生時(shí)的加速度。在國家鑒定試驗(yàn)中，碰撞瞬時(shí)的加速度約為-40g；當(dāng)由碰撞造成的減速度小于40g時(shí)氣囊不會(huì)打開。另外，考慮到氣囊并非針對(duì)兒童設(shè)計(jì)，當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時(shí)氣囊有可能對(duì)兒童造成致命傷害，故當(dāng)乘員為乘坐姿勢(shì)不當(dāng)?shù)膬和w重小于30公斤）時(shí)，氣囊將永遠(yuǎn)不會(huì)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(jí)延時(shí)噴射
    為了能夠?qū)崿F(xiàn)在發(fā)生汽車碰撞時(shí)，不同體型的人受到不同膨脹程度的氣囊的保護(hù)， 我們采用了雙氣囊噴射口模型。并且通過控制每個(gè)噴射口相對(duì)碰撞時(shí)刻的延時(shí)長短來控制氣囊開始膨脹的時(shí)刻及最終膨脹程度。
    采用上述的功能設(shè)計(jì)是因?yàn)榻?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(hù)效果，而是要經(jīng)過一段延時(shí)（典型值10ms）。延時(shí)具體值則取決于碰撞導(dǎo)致的汽車加速度和乘員體型的大小。
安全帶預(yù)調(diào)整。
    在發(fā)生碰撞時(shí)，汽車安全智能系統(tǒng)通過采樣MC33794電場(chǎng)成像器件檢測(cè)的各電極電壓值來獲取乘員的乘坐姿勢(shì)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(jìn)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(shí)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(qiáng)調(diào)說明。
    系統(tǒng)組成如上圖一所示。駕駛員坐上座位時(shí)，電場(chǎng)成像器件MC33794則通過查詢循環(huán)不斷檢測(cè)駕駛艙內(nèi)電場(chǎng)變化，得到駕駛員實(shí)時(shí)的位置/坐姿參數(shù)（由傳感器各電極電壓匹配乘員姿勢(shì)的示意圖如右邊所示）；放在座位下的壓強(qiáng)傳感器將駕駛員對(duì)座位的壓強(qiáng)參數(shù)傳給MCU，；同時(shí)安全帶傳感器（本系統(tǒng)簡化為一個(gè)開關(guān)電路）則負(fù)責(zé)將駕駛員是否系上安全帶的信號(hào)傳給MCU。
    當(dāng)汽車速度急速下降時(shí)，若加速度大于中斷閥值（即使得單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)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(xì)的闡述見第四部分軟件描述)，進(jìn)而查表得到氣囊參數(shù)受傳感器參數(shù)。
    中斷服務(wù)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(xì)的闡述見第四部分軟件描述)，進(jìn)而查表得到氣囊控制信號(hào)。
上面所提到的中斷閥值與氣囊開啟閥值是兩個(gè)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(yīng)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(gè)值，根據(jù)國家規(guī)定，碰撞瞬時(shí)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(gè)還是兩個(gè)噴口噴氣以及噴氣延時(shí)長短決定；而噴氣口的數(shù)量以及噴氣延時(shí)長短又由經(jīng)過了A/D轉(zhuǎn)化的各傳感器測(cè)得的參數(shù)決定。
圖1  由電極電壓的乘員姿勢(shì)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(diǎn)
* 選擇這塊芯片基于以下理由：
* 低成本：高速低價(jià)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(gè)I/O口，可以很方便的與安全帶開關(guān)以及剎車電路相連。剩下的可  以留作以后擴(kuò)展電路連接更多傳感器所用。內(nèi)置的八路（壓強(qiáng)傳感1路、加速度傳  感2路、電場(chǎng)成像器件5路）AD轉(zhuǎn)換口使與傳感器的聯(lián)機(jī)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(jí)；針對(duì)不同車型下載不同控制數(shù)據(jù)。
* 模擬量采集模塊
* 電場(chǎng)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(shì)參數(shù)。
MC33794的工作原理如圖5所示。正弦波生成器與外接負(fù)載電阻配合產(chǎn)生120kHz的純正弦波，當(dāng)電極的電場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的電容值發(fā)生改變，測(cè)得的電壓與1/C成比例，即隨電容增加檢測(cè)的電壓減小。
圖5 MC33794工作原理
MC33794通過對(duì)安裝在車座位上的9個(gè)電極電壓大小的檢測(cè)可以得出駕駛乘員的位置/姿勢(shì)參數(shù)，從而判斷OOP情況。在本系統(tǒng)中,九個(gè)電極被安放在座位及周圍,用于測(cè)量乘員的姿勢(shì)信息。
圖6  電極位置與壓力傳感器的位置圖
壓強(qiáng)傳感器  MPXV5050DP (Freescale)
測(cè)量人的體重參數(shù)(0 to 300kg)，轉(zhuǎn)化為對(duì)椅子的壓強(qiáng)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(shí)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(jī)相連
片上自帶進(jìn)量程、偏移校準(zhǔn)電路與溫度補(bǔ)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(cè)量范圍+-250g，適用于由于碰撞造成的加速度測(cè)量。
⑵ 隨時(shí)可以自檢，提高系統(tǒng)可靠性。
⑶ 提供狀態(tài)輸出，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)錯(cuò)誤檢測(cè)。
數(shù)字量采集模塊
這里的數(shù)字量主要是兩個(gè)開關(guān)信號(hào)：
安全帶信號(hào)=>系了安全帶時(shí)為低點(diǎn)平；未系時(shí)為高電平。

軟件描述
系統(tǒng)輸出控制信號(hào)的延遲時(shí)間控制
 安全氣囊的控制要求有極高的實(shí)時(shí)性，一般情況下系統(tǒng)要在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)輸出控制信號(hào)。對(duì)于本系統(tǒng)而言控制信號(hào)的輸出延遲為：
輸出延遲時(shí)間=硬件延遲時(shí)間+MCU處理時(shí)間。
  本系統(tǒng)硬件延遲時(shí)間主要有A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間決定，而MCU自帶的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間略為17微秒。所以影響輸出延遲的主要因素是MCU處理時(shí)間。
本系統(tǒng)的輸出控制信號(hào)為氣囊的控制信號(hào)和安全帶預(yù)收緊的信號(hào)。氣囊的控制信號(hào)采取查表法來得到。輸入信號(hào)決定表的地址，表的內(nèi)容為輸出信號(hào)。查表時(shí)間為一個(gè)指令周期。
安全帶預(yù)收緊信號(hào)通過電傳感器的9個(gè)電極測(cè)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(yù)收緊的程度。
查表所需時(shí)間為一個(gè)指令周期。測(cè)量比較OOP程度所需時(shí)間在微秒級(jí)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)的控制信號(hào)輸出延遲（微秒級(jí)）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)行規(guī)定的汽車碰撞后氣囊打開時(shí)間（為毫秒級(jí)）。
決定查表地址的輸入信號(hào)有3個(gè)：
經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的壓強(qiáng)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(hào)
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