嵌入式系统在汽车安全气囊电控模块上的应用

彭瑶

摘 要：随着汽车的普及，交通事故和伤亡人数也在逐年上升，如何在发生汽车碰撞事故时，有效地保护司机和乘员生命就成为比较关注的问题了，而安全气囊作为保护司机和乘员的主要装备之一，已成功挽救了很多人的生命，显示了它的实用性。为此本文中作者设计了基于嵌入式系统的汽车安全气囊电控系统，它是利用ARM处理器优越的特性对气囊点火进行精确判断的采集监测系统。如何在较短的時间内及时打开气囊，是安全气囊研制的主要内容。本文中使用的点火算法是一种经过改进后的移动窗算法，算法中加入垂直量并且引入了速度函数，这样不仅增加系统抗干扰能力，同时能根据速度大小改变系统灵敏度[1-2]。本系统低功耗，体积小，抗干扰性强并能精确点火爆破，同时系统具有“黑匣子”数据保存功能。

关键词：嵌入式系统;安全气囊;电子控制

1 系统硬件设计

1.1 总体设计方案

本系统硬件不仅包括处理器，同时还包括采集模块、指示报警模块、点火模块、flash存储模块、通讯模块等，而硬件设计的核心部位就是处理器选用、数据采集电路、点火爆破电路三个重要的环节。

系统在微处理器方面选用Luminary公司所生产的LM3S1138处理器，它是首款基于ARM Cortex-M3内核的控制器。在设计的过程中，我们充分发挥LM3S1138的内核性能和外设作用，所使用的模块包括ADC采样，定时器，PWM，Flash编程，UART串行通讯等。

数据采集本系统使用的是飞思卡尔三轴加速度传感器MMA7260对汽车运动状态中的数据进行采集，传感器感应出汽车行驶中的加速度大小，然后从相应的输出管脚输出电压值。处理器通过ADC模块对电压值进行转换，主要是把模拟的电压值转换成离散的数字量，然后再存入到我们在软件中设定的数组里。

由于安全气囊气体发生器的点爆条件为2A，2ms的电流脉冲[3]，然而，如果直接用LM3S1138的输出口驱动是无法满足要求。所以我们选择了一个单独供电的继电器来对气体发生器进行驱动，同时配合光电耦合的使用，可以防止电路干扰。为了更好的实现安全点火和智能化点火，可以在点火回路上设置一个座位感应开关装置。开关闭合，则表明有驾驶员入座，如果这个时候汽车发生碰撞并且强度达到要求时，点火电路正常进行点火爆破;开关断开，则表明没有驾驶员入座，点火电路始终不能形成回路，这个时候即使汽车碰撞达到要求也无法正常的进行点火。该设计可防止在无人状态下引爆气囊而造成的经济损失。另外我们的数据存储是记录在芯片的flash中，为了方便数据的后续处理分析，系统还具有联机通讯的功能，这也是我们所说的“黑匣子”功能。

当然，系统还包括稳压电路，复位电路，声光报警电路等，这些电路相对简单，在这里就不做过多介绍了。

2 系统的软件设计

2.1 软件总体设计方案

本系统的软件设计是在uC/OS Ⅱ操作系统的平台上进行设计考虑的，所以整个系统涉及到的东西很多，我们可以把程序归纳为主程序、启动任务、定时采样任务、串行通信任务四大模块。主程序将系统及启动任务运行，定时采样任务确保碰撞发生时黑匣子里面存入碰撞前60个数据和碰撞后30个数据，串口通讯任务作用是正确输入密码后读取黑匣子里面的数据。

2.2 点火算法描述

经过研究，本系统选用一种加入了垂直量的移动窗积分算法。下面具体介绍一下此算法，选定以下几个观察量作为气囊点火的条件指标。①汽车碰撞时的水平方向加速度ax。②汽车碰撞时垂直方向的加速度ay，当汽车发生正向碰撞时，ay与ax有很大的不一致性[2];而当汽车受到路面干扰，例如汽车与较高的台阶直接相撞时，ay与ax有很大的一致性[2]，可以由此来判别干扰信号。首先对ax（t）进行积分，并写成离散形式，得到指标S（n，k），当S（n，k）超过预先设定值时，则发出点火信号：

其中n为当前时间点，k为采样点数，f为采样频率。然后加上垂直加速度之后，可以提高对路面干扰的抗干扰能力，形式如下：

S（n，k，ρ）为双向合成积分量，n，f，k如上定义;ρ为合成因数，表征两个方向加速度在合成算法中的权重。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。而且这种算法对于判断最佳点火时刻也是很有优势的，经过实验，利用这种算法得出的点火时刻离汽车碰撞的最佳点火时刻（利用摄像得出）仅差几微秒，符合要求的精度。

但是这种算法也有其不足，例如没有考虑碰撞时的速度等因素，这样当汽车低速运行的时候，还是有可能引起误触发。如果将速度信号引入，则可以进一步减少误触发的机会。这里简单介绍一种方法[1]，当知道汽车速度v时，可以人为的引入一个函数：

当v超过30km/h的时候，y的值就大于1;反之就小于1。这样结合上面的移动窗积分算法，提出新的S1，则S1为：

这样当v>30km/h时，汽车点火引爆的灵敏度就比原来大了;而v<30km/h时，点火灵敏度就比原来小了。采用增加了速度函数的算法后，使得v>30km/h时的灵敏度适当增加，同时也有效的减少了v<30km/h（低速）时的误点火几率，因此到达了我们的要求。

3 结束语

汽车的安全气囊要求能在一个极短的时间内检测到汽车碰撞事件的发生并控制打开安全气囊。为了实现上述目标，一方面硬件的传感器和安全气囊要有足够快的响应速度，另一方面就是微处理器和相应的事件响应程序要能处理得足够快，因此把嵌入式系统应用于汽车安全气囊上是一个发展趋势。本文中的安全气囊电子控制系统结构简单，而功能却比较完善，具有实际意义。总之，本系统具有低功耗、低成本、体积小、抗干扰性强以及能精确点火爆破等特点。另外，系统还有“黑匣子”的功能，能实现联机通讯，对后继数据进行分析处理。

参考文献：

[1]廖广军，戚其丰.改进的汽车安全气囊控制算法[J].计算机与信息技术，11月16日.

[2]郑维，黄世霖，张金换.双向加速度合成气袋控制算法及其抗路面干扰特性[N].清华大学学报，2003年第43卷第2期.

[3]汪学方，杨俊波，张鸿海.汽车安全气囊智能控制系统设计[J].机械与电子，2005第11期.