文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.171264
中文引用格式： 周天元，曹立波，張飛鐵，等. 基于PowerPC的汽車安全氣囊控制系統設計[J].電子技術應用，2017，43(10)：63-66.
英文引用格式： Zhou Tianyuan，Cao Libo，Zhang Feitie，et al. Design of automotive airbag control system based on the PowerPC[J].Application of Electronic Technique，2017，43(10)：63-66.
0 引言
目前，汽車行車碰撞每年仍時有發生，安全氣囊作為乘員保護的最后一道屏障，起到了巨大的保護作用。在安全氣囊研究中，ECU控制系統設計起到了關鍵作用，其硬件的選型、電路結構的設計對安全氣囊系統的反應速度、處理能力、碰撞形式判斷及點火算法的編程都起到了決定性作用，因此，不可不給予重視。
安全氣囊控制系統主要由傳感器、電子控制單元、氣體發生器、氣囊等組成，目前大多數已公開的電控單元系統設計仍有待改善。文獻[1]設計了安全氣袋點火電路，提出了漏點火與誤點火的電路設計，但隨著電子產品的日新月異，現只能作為原理性參考，不適宜于電路設計中。文獻[2-3]設計了基于ARM Cortex內核的ECU控制系統，采用LM3S1138處理器，點火觸發電路采用模擬電路，驅動能力差。文獻[4]采用16位恩智浦芯片MC9S12DG128結合MC33797點火控制策略，取得較好的效果，但性能提升空間較大。文獻[5]采用Microchip公司的PIC16F914芯片，基于DSI總線協議開發控制系統，在加速度傳感器傳輸速度方面有較好效果。本文通過總結以上設計思路，提出了一種以恩智浦MPC5634M為主芯片、TLE6710Q為電源管理和點火控制的控制系統，結合可變窗寬移動窗積分算法，在實時性和準確點火方面取得了較好的效果。
1 安全氣囊控制系統架構設計
圖1是安全氣囊控制系統的主要構成，由微處理器MPC5634M、集成IC TLE6710Q、加速度傳感器MMA6825BKW和CAN通信芯片PCA82C250等組成。
其中，MPC5634M是基于PowerPC架構的32位微處理器，使用8/16 MHz晶振可使主頻升至80 MHz，保證高效快速的處理能力，具有2路DSPI通信模塊、2路FlexCAN通信模塊，具有1.5 MB的Flash及94 KB的SRAM，通過5 V電壓供電。
TLE6710Q主要負責電源管理和點火控制功能，同時具有報警功能和K線故障診斷功能，可提供4路點火輸出。
MMA6825BKW是恩智浦公司生產的一款過阻尼橫向加速度計，可實現量程±100 g的兩軸加速度輸出，通過DSPI進行配置和輸出，可支持3.3 V或5 V兩種電壓供電。
2 控制系統設計
2.1 工作原理
首先由加速度傳感器MMA6825BKW實時檢測車身運動時的加速度信號，通過DSPI將信號發送到處理器MPC5634M中。經過算法運算，若判斷有碰撞發生，則發送點火信號到集成芯片TLE6710Q的點火控制模塊中，點火控制模塊導通點火電路，安全氣囊起爆。
2.2 硬件設計
系統硬件主要由單片機最小系統、點火控制與電源管理模塊、加速度采集系統、備用電源模塊等組成。
2.2.1 單片機最小系統電路
為滿足系統快速反應及計算處理性能，選用32位的恩智浦MPC5634M芯片，搭建包括電源電路、晶振電路、復位電路、JTAG下載接口的最小系統電路。電源供電由TLE6710Q芯片中的電源管理模塊將30 V電壓轉換成5 V供電電壓，同時，MCU內部帶有穩壓器模塊，通過外接NPN晶體管輸出1.2 V的電壓作為MCU內核的低壓供電，如圖2所示。晶振電路中選擇8 MHz的石英晶體，可使MCU主頻達到80 MHz。
2.2.2 點火控制電路與電源管理電路
由于點爆安全氣囊需要大電流通過，為保證順利點火，需將汽車電源12 V升壓為30 V作為點火電路的供電電壓，同時，需將其降壓為5 V作為MCU和加速度傳感器供電使用，升壓原理圖如圖3所示。其中，EVZ是升壓輸出，電源通電后首先給EVZ充電并產生內部參考電壓，通過Rvz1和Rvz2分壓反饋，通過誤差放大器、PWM比較器和邏輯驅動電路后控制DMOS功率管的通斷，從而實現升壓，直至輸出穩定的30 V電壓，電壓大小可通過控制Rvz1和Rvz2的阻值進行調節，電壓調節公式如下：
式中：Vboost為升壓電壓，Rvz1、Rvz2為電阻。取Rvz1為44.2 kΩ, Rvz2為4.53 kΩ，即可升壓至30 V。降壓原理與升壓原理相似，如圖4，其中SVCC5端口通過DMOS功率管與EVZ連接。
2.2.3 點火電路工作原理
氣體發生器內有一個阻值約為2 Ω的橋絲，當有2 A電流脈沖持續2 ms以上通電時,橋絲即被燒斷,氣體發生器被點爆。點火電路圖如圖5，其中兩個DMOS管開關串聯氣體發生器接于點火電路中，由串行外設接口（SPI）作為控制信號控制DMOS的通斷來控制電路。
2.2.4 加速度傳感器模塊
加速度傳感器采用的是恩智浦公司的MMA6825BKW過阻尼橫向加速度傳感器，可測量相互垂直的兩個方向的加速度，并內置了12路低通濾波，可根據需要在50 Hz與1 000 Hz之間濾掉噪音，將數據以10位精度通過DSPI接口傳輸到主控芯片。該傳感器與標準串行外設接口(DSPI) 協議兼容，可輕松集成至安全氣囊系統，并且提供arming引腳功能，降低了主碰撞傳感器的數據損壞風險。電路原理圖如圖6。
2.3 軟件設計
在設計安全氣囊程序時，應滿足準確性、穩定性和快速性的基本要求，因此要求安全氣囊點火算法精簡有效，需目標點火時刻盡可能地接近最佳點火時刻，而目標點火時刻按照127 mm-30 ms準則確定，程序設計流程如圖7。
3 實驗驗證與分析
3.1 抗干擾性分析
根據已有數據，當汽車以60 km/h速度正常行駛，在通過搓板路、卵石路等路面時，加速度峰值一般小于4 g，這種干擾可通過在硬件點火電路中加入安全傳感器或者在點火算法中融入算法啟動閾值來過濾，從而排除干擾，而通過軟件的方法更加穩定和高效，已被廣泛應用。但當汽車在高速通過臺階路面時，由于加速度曲線與正常碰撞曲線比較相似[6](如圖8所示)，因此，既要保證中低速碰撞氣囊點爆，又要避免路面干擾時發生誤點火現象，必須濾除這種干擾。
為減少成本，可通過信號發生器模擬某種干擾信號，并將此信號輸入到安全氣囊控制系統中，查看點火輸出，即可判斷控制系統的抗干擾效果[7]。原理流程圖如圖9，將干擾信號通過PC寫入信號發生器中，信號發生器代替碰撞傳感器作用，通過CAN線將干擾信號或者碰撞信號導入ECU中。最終，示波器接收電流探頭傳來的電流信號，檢驗點火信號是否存在。驗證表明，當把圖8所示的干擾信號導入時沒有點火信號存在，把碰撞信號導入后，檢測到了電流信號。
3.2 實車實驗
為了測試系統在真實情況下的性能，將安全氣囊ECU控制系統安裝到某車型地板上進行實驗，以50 km/h的速度進行剛性壁碰撞，檢測到的加速度波形濾波后如圖10所示。根據得到的假人頭部位移曲線可知，對應頭部位移127 mm的時刻是16 ms，即最佳點火時刻，而實驗的實際點火時刻是16.6 ms，這與最佳點火時刻非常接近，證明算法有效。
4 結論
本設計通過使用PowerPC架構的32位微處理器MPC5634M，提升了控制系統的計算速度和處理能力，通過DSPI模塊可快速實現TLE6710Q與加速度傳感器的初始化和相互通信。加速度傳感器可同時采集兩個方向的加速度信號，結合點火算法的優化設計，降低了系統的誤點火可能性。同時，采用的電源管理和點火控制集成芯片TLE6710Q可實現4通道點火與故障診斷能力，有效增加了系統的可靠性。實驗結果表明，安全氣囊控制系統不僅運行可靠，而且可有效排除誤點火與漏點火情況，使氣囊的實際點火時刻等于或接近最佳點火時刻。
參考文獻
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[2] 郭波，管菊花，李杰.基于ARM的汽車安全氣囊控制系統設計[J].計算機測量與控制，2010，18(9)：2091-2094.
[3] 管菊花，郭波，呂偉.基于ARM Cortex的嵌入式汽車安全氣囊電控系統設計[J].南昌大學學報(工科版)，2009，31(3)：304-306.
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[6] 鄭維，黃世霖，張金換.雙向加速度合成氣袋控制算法及其抗路面干擾特性[J].清華大學學報(自然科學版)，2003，43(2)：250-253.
[7] 徐盼盼.基于比功率點火算法的汽車安全氣囊控制系統研究[D].長沙：湖南大學，2012.
作者信息：
周天元1，2，曹立波2，張飛鐵2，吳夢華3
（1.聯創汽車電子有限公司，上海 201206；2.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南 長沙410082；
3.泛亞汽車技術中心有限公司，上海200120）