殷蘇民，李正陽，萬 翔，汪偉力，張建明

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

0 引 言

隨著汽車技術(shù)的快速發(fā)展，汽車安全氣囊已廣泛應(yīng)用在各類汽車上。安全氣囊系統(tǒng)作為汽車被動安全的核心，其性能要求越來過高，主要通過改進(jìn)傳感器和升級安全氣囊診斷模塊(supplemental restraint system diagnostic module，SDM)來滿足需求［1］。目前很多汽車生產(chǎn)廠家主要使用集成于控制器中的中央傳感器作為唯一檢測碰撞信號的設(shè)計方案，這種設(shè)計往往由于碰撞時，信號發(fā)生減弱、延時甚至丟失，從而導(dǎo)致控制器不能快速精確地對碰撞做出判斷。

本文使用基于微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical systems，MEMS)的加速度傳感器對碰撞加速度進(jìn)行采集，并通過專有集成電路對信號進(jìn)行處理，利用SPI 總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)與安全氣囊控制器通信［2］。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時的單向數(shù)據(jù)傳輸功能，將外圍加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時傳遞到控制單元，使其能快速準(zhǔn)確地對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，對碰撞做出正確的判斷。

1 加速度傳感器

1.1 差動電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)

電容式加速度傳感器是利用電容原理，將被測加速度轉(zhuǎn)換成電容的變化來進(jìn)行加速度測量［3］。電容式加速度傳感器的特點(diǎn)是靜態(tài)電容較大、溫度漂移系數(shù)小、線性度高、微結(jié)構(gòu)牢固可靠、靈敏度高。但由于電容小，約1 pF，信號處理電路與傳感器必須集成在同一芯片上，這樣可以直接將調(diào)節(jié)信號作為輸出信號［4］。

圖1 為差動電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。加速度傳感器在芯片上虛掛一個可動部分，并通過4 個彎曲梁A 與芯片固定，彎曲梁長200 μm，寬2 μm，它被置于一叉指形狀的單元結(jié)構(gòu)槽內(nèi)，叉指結(jié)構(gòu)的中間部分即為加速度傳感器的可動部分B。該部分質(zhì)量小于0.1 μg。在一個完整的外圍加速度傳感器系統(tǒng)中，由42 個這樣的叉指型結(jié)構(gòu)組成，形成了由C1 和C2 組成的差動電容加速度傳感器［5］。

圖1 加速度傳感器原理圖Fig 1 Principle diagram of acceleration sensor

1.2 差動電容式加速度傳感器原理

在發(fā)生碰撞時，如圖1，由慣性力使可動極板發(fā)生移動Δδ，從而C2的間隙變?yōu)棣?－Δδ，C1的間隙變?yōu)棣?+Δδ，根據(jù)電容差動原理有［5］

差動工作電容輸出為

線性度為

靈敏度為

因此，線性度和靈敏度均得到了改善，再通過外圍信號調(diào)理電路處理，可以將加速度轉(zhuǎn)換為電容變化量，并實(shí)現(xiàn)線性表示。

1.3 專有集成電路系統(tǒng)

專有集成電路(ASIC)是傳感器與微處理器之間的一個接口電路，功能是將加速度傳感器輸出的模擬信號進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，通過總線傳送到控制器。由于差動電容式加速度傳感器的特性所致，使其必須與ASIC 一起封裝在防水的殼體內(nèi)，用疊加的方法將彈簧—質(zhì)量系統(tǒng)放在硅晶片表面。如圖2，ASIC 需要將傳感器輸出的電信號進(jìn)行放大、濾波以及A/D 轉(zhuǎn)換并輸送到安全氣囊控制單元進(jìn)行邏輯運(yùn)算。ASIC 還包括傳感器偏差的補(bǔ)償電路和啟動時的自診斷［6］。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)概述

圖2 外圍加速度傳感器系統(tǒng)圖Fig 2 System diagram of peripheral acceleration sensor

本系統(tǒng)設(shè)計4 只外圍加速度傳感器，包括2 只前碰加速度傳感器(UFS)、2 只側(cè)碰加速度傳感器(PAS)。其中，UFS 主要用來用來增強(qiáng)發(fā)生正面碰撞時加速度的檢測，而PAS 主要用來增強(qiáng)發(fā)生側(cè)面碰撞時加速度的檢測。再加上集成于SDM(安全氣囊診斷模塊)的x/y 軸中央傳感器，總共有6 只傳感器。當(dāng)這些傳感器接收到信號時，就會將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊DM，ECU 就會根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，當(dāng)達(dá)到起爆條件時，就會對點(diǎn)火回路中需要點(diǎn)爆的回路發(fā)出點(diǎn)火指令，此時相應(yīng)的氣袋就會被點(diǎn)爆，整個過程僅僅需要100 多毫秒的時間。另外，當(dāng)發(fā)生碰撞后，SDM 模塊的輸出端還會發(fā)出碰撞指令，車輛會進(jìn)行自動熄火、打開門鎖等操作［6］。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

外圍加速度傳感器與安全氣囊診斷模塊的安裝如圖3。UFS 分別安裝于前側(cè)防碰橫梁與縱梁的兩側(cè)交匯處;PAS 分別安裝于汽車兩側(cè)B 柱下端;SDM 則安裝于汽車正中央，一般位于變速箱擋桿下方，并與底盤緊固。

圖3 系統(tǒng)安裝圖Fig 3 Installation diagram of system

2.3 通信設(shè)計

2.3.1 PSI5

外圍加速度傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)主要有分布系統(tǒng)接口(distributed system interface，DSI)和外圍傳感器接口(peripheral sensor interface 5，PSI5)兩種。PSI5 是一種開放標(biāo)準(zhǔn)的傳感器接口，根據(jù)其通信協(xié)議的技術(shù)特性和低成本等特點(diǎn)，本文設(shè)計采用V2.0 版PSI5 標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.2 通信原理

PSI5 接收器通過點(diǎn)對點(diǎn)的方式，可以同時實(shí)現(xiàn)與多個外圍加速度傳感器相連。采用電流調(diào)制法，通過雙線將數(shù)據(jù)傳遞到PSI5 接收器。PSI5 接收端給傳感器提供穩(wěn)定電壓，同時檢測電流情況。當(dāng)電流值接近傳感器靜態(tài)電流時，邏輯信號為‘低’;當(dāng)電流值高出靜態(tài)電流約20 mA 時，邏輯信號為‘高’。PSI5 采用Manchester 式編碼，即在發(fā)送的每一位中部有一個電流的上升沿代表邏輯‘0’;有一個下降沿代表邏輯‘1’。然后PSI5 接收器再將數(shù)據(jù)通過串行外圍接口(serial peripheral interface，SPI)總線傳送到控制單元［7］。

本系統(tǒng)采用雙線通信，并對傳感器供電;同步獲取傳感器數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)長度可變(可變范圍10 ～28 位)，Manchester式編碼通信速度125 kbps。外圍加速度傳感器采用ADXL50 芯片，中央加速度傳感器采用SMA560 雙軸傳感器，其測量范圍±50gn。串口控制單元采用VP05028X 芯片通過PSI5 協(xié)議與加速度傳感器連接。控制單元再通過SPI 總線將數(shù)據(jù)傳送到采用TMS 470 為芯片的中央控制單元進(jìn)行邏輯運(yùn)算，如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)電路圖Fig 4 System circuit diagram

2.4 系統(tǒng)模擬

研究撞車時乘員安全有關(guān)的車輛結(jié)構(gòu)變形和零部件強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)變形問題，現(xiàn)在通常采用非線性大變形有限元方法。

目前現(xiàn)有的仿真軟件根據(jù)其建模方法和功能不同分為兩類:一類是采用顯式有限元理論建模，研究撞車時乘員安全有關(guān)的車輛結(jié)構(gòu)變形和零部件強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)變形問題。以美國LS-DYNA3D 和法國PAM-CRASH 軟件為代表;另一類采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論建模，主要用來模擬碰撞事故中乘員的運(yùn)動狀況，乘員與周圍的相互作用，有美國CAL3D 和荷蘭MADYMO 軟件［7］。

通過模擬碰撞試驗(yàn)，由計算機(jī)分別獲取以15，64 km/h的速度發(fā)生正面碰撞時，UFS 和中央傳感器檢測到的加速度。由圖5 可以看出:根據(jù)UFS 的檢測數(shù)據(jù)發(fā)出點(diǎn)火指令的時間早于根據(jù)中央傳感器的數(shù)據(jù)而發(fā)出點(diǎn)火指令的時間。通過分析可以知道，由于UFS 通過MEMS 原理直接檢測碰撞時產(chǎn)生的加速度，而中央傳感器位于汽車中央，當(dāng)發(fā)生碰撞時，加速度要通過前橫梁、縱梁、底盤才能傳遞到中央傳感器，并且由于偏置碰撞、角度碰撞、前機(jī)艙潰縮以及非剛性傳遞等因素的影響，檢測加速度被減弱。因此，外圍加速度傳感器檢測到的數(shù)據(jù)更加精確，并能使控制單元更早地發(fā)出點(diǎn)火指令。

圖5 模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合圖Fig 5 Fitting figure of simulation experimental data

3 碰撞實(shí)測

對于起亞HM 車型碰撞試車，通過OBD 接口，實(shí)現(xiàn)電腦與SDM 模塊的連接通信。利用Windiag 軟件讀取存儲于SDM 模塊EEPROM 中的碰撞數(shù)據(jù)?？梢宰x取到連續(xù)50 組兩側(cè)前碰傳感器數(shù)據(jù)、連續(xù)100 組兩側(cè)外圍加速度傳感器數(shù)據(jù)和連續(xù)220 組X/Y 軸中央傳感器數(shù)據(jù)。得到的數(shù)值為1 ms 間隔的十六進(jìn)制值。將二位十六進(jìn)制值轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制值得到0 ～255 范圍的值。假設(shè)十進(jìn)制數(shù)為X，加速度為g(gn)。

對于前碰傳感器，其運(yùn)算如下:

1)當(dāng)X ＞128 時，g=2×(256－X);

2)當(dāng)X≤128 時，g=－2X。

可以分別得到兩側(cè)前碰加速度傳感器所檢測到的加速度值，如表1。

表1 前碰傳感器測試數(shù)據(jù)表Tab 1 Table of UFS testing data

對于X/Y 軸中央傳感器，其運(yùn)算如下:

1)當(dāng)X ＞128 時，g=2×(256－X);

2)當(dāng)X≤128 時，g=－2X。

可以分別得到兩側(cè)外圍加速度傳感器所檢測到的加速度值，如表2。

對于前碰傳感器，其運(yùn)算如下:

1)當(dāng)X ＞128 時，g=0.8×(256－X)，并取整;

2)當(dāng)X≤128 時，g=－0.8X，并取整。

可以分別得到X/Y 軸中央傳感器所檢測到的加速度值，如表3。

將表1、表2、表3 中6 只加速度傳感器檢測到的加速度值擬合成如圖6 所示的加速度曲線圖。

通過對圖6的數(shù)據(jù)分析，可以清楚地看到左右兩側(cè)的外圍加速度傳感器檢測到持續(xù)的劇烈碰撞加速度，可以判定該生發(fā)生了側(cè)碰;中央加速度傳感器與外圍傳感器均采集到連續(xù)的碰撞信號，但加速度曲線波形平緩，可以判定在碰撞過程中，加速度在傳遞過程中發(fā)生了減弱，因此，通過加入外圍加速度傳感器可以提高其精度和準(zhǔn)確度。

表2 側(cè)碰傳感器測試數(shù)據(jù)表Tab 2 Table of PAS testing data

表3 X/Y 軸傳感器測試數(shù)據(jù)表Tab 3 Table of X/Y axis sensor testing data

4 結(jié)束語

本文針對安全氣囊，通過設(shè)計一種基于MEMS 的外圍加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)了安全氣囊系統(tǒng)性能的提升。通過試驗(yàn)?zāi)M和對實(shí)際碰撞數(shù)據(jù)結(jié)果的分析，證明了其能增強(qiáng)安全氣囊對碰撞類型的識別，而且更重要的是能大大提早安全氣囊發(fā)出點(diǎn)火指令的時間。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強(qiáng)，使其能夠在汽車安全氣囊系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，滿足現(xiàn)代汽車發(fā)展對安全性的要求。

圖6 碰撞數(shù)據(jù)擬合圖Fig 6 Fitting diagram of collision datas

［1］ 賀展開，龔曉艷.汽車傳感器的檢測［M］.2 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:175－176.

［2］ 張海濤，閻貴平.MEMS 加速度傳感器的原理及分析［J］.電子工藝技術(shù)，2003，24(6):1－2.

［3］ 肖 鵬.基于MEMS 技術(shù)的差分電容式加速度微傳感器的研究和設(shè)計［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2006:26－36.

［4］ 王小鑫.差動電容式加速度傳感器測量系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［D］.西安:西安科技大學(xué)，2012:7－10.

［5］ 石庚辰.微機(jī)械加速度傳感器及應(yīng)用［J］.測控技術(shù)，2003，22(3):2－3.

［6］ 文洪奎.汽車安全氣囊控制單元的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［D］.上海:上海交通大學(xué)，2011:19－21.

［7］ 何 文.汽車安全氣囊工作過程計算機(jī)仿真理論與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)研究［D］.長沙:湖南大學(xué)，2002:15－16.