彭瑤

摘 要：隨著汽車(chē)的普及，交通事故和傷亡人數(shù)也在逐年上升，如何在發(fā)生汽車(chē)碰撞事故時(shí)，有效地保護(hù)司機(jī)和乘員生命就成為比較關(guān)注的問(wèn)題了，而安全氣囊作為保護(hù)司機(jī)和乘員的主要裝備之一，已成功挽救了很多人的生命，顯示了它的實(shí)用性。為此本文中作者設(shè)計(jì)了基于嵌入式系統(tǒng)的汽車(chē)安全氣囊電控系統(tǒng)，它是利用ARM處理器優(yōu)越的特性對(duì)氣囊點(diǎn)火進(jìn)行精確判斷的采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。如何在較短的時(shí)間內(nèi)及時(shí)打開(kāi)氣囊，是安全氣囊研制的主要內(nèi)容。本文中使用的點(diǎn)火算法是一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的移動(dòng)窗算法，算法中加入垂直量并且引入了速度函數(shù)，這樣不僅增加系統(tǒng)抗干擾能力，同時(shí)能根據(jù)速度大小改變系統(tǒng)靈敏度[1-2]。本系統(tǒng)低功耗，體積小，抗干擾性強(qiáng)并能精確點(diǎn)火爆破，同時(shí)系統(tǒng)具有“黑匣子”數(shù)據(jù)保存功能。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);安全氣囊;電子控制

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)硬件不僅包括處理器，同時(shí)還包括采集模塊、指示報(bào)警模塊、點(diǎn)火模塊、flash存儲(chǔ)模塊、通訊模塊等，而硬件設(shè)計(jì)的核心部位就是處理器選用、數(shù)據(jù)采集電路、點(diǎn)火爆破電路三個(gè)重要的環(huán)節(jié)。

系統(tǒng)在微處理器方面選用Luminary公司所生產(chǎn)的LM3S1138處理器，它是首款基于A(yíng)RM Cortex-M3內(nèi)核的控制器。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們充分發(fā)揮LM3S1138的內(nèi)核性能和外設(shè)作用，所使用的模塊包括ADC采樣，定時(shí)器，PWM，F(xiàn)lash編程，UART串行通訊等。

數(shù)據(jù)采集本系統(tǒng)使用的是飛思卡爾三軸加速度傳感器MMA7260對(duì)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，傳感器感應(yīng)出汽車(chē)行駛中的加速度大小，然后從相應(yīng)的輸出管腳輸出電壓值。處理器通過(guò)ADC模塊對(duì)電壓值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，主要是把模擬的電壓值轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，然后再存入到我們?cè)谲浖性O(shè)定的數(shù)組里。

由于安全氣囊氣體發(fā)生器的點(diǎn)爆條件為2A，2ms的電流脈沖[3]，然而，如果直接用LM3S1138的輸出口驅(qū)動(dòng)是無(wú)法滿(mǎn)足要求。所以我們選擇了一個(gè)單獨(dú)供電的繼電器來(lái)對(duì)氣體發(fā)生器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)配合光電耦合的使用，可以防止電路干擾。為了更好的實(shí)現(xiàn)安全點(diǎn)火和智能化點(diǎn)火，可以在點(diǎn)火回路上設(shè)置一個(gè)座位感應(yīng)開(kāi)關(guān)裝置。開(kāi)關(guān)閉合，則表明有駕駛員入座，如果這個(gè)時(shí)候汽車(chē)發(fā)生碰撞并且強(qiáng)度達(dá)到要求時(shí)，點(diǎn)火電路正常進(jìn)行點(diǎn)火爆破;開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，則表明沒(méi)有駕駛員入座，點(diǎn)火電路始終不能形成回路，這個(gè)時(shí)候即使汽車(chē)碰撞達(dá)到要求也無(wú)法正常的進(jìn)行點(diǎn)火。該設(shè)計(jì)可防止在無(wú)人狀態(tài)下引爆氣囊而造成的經(jīng)濟(jì)損失。另外我們的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是記錄在芯片的flash中，為了方便數(shù)據(jù)的后續(xù)處理分析，系統(tǒng)還具有聯(lián)機(jī)通訊的功能，這也是我們所說(shuō)的“黑匣子”功能。

當(dāng)然，系統(tǒng)還包括穩(wěn)壓電路，復(fù)位電路，聲光報(bào)警電路等，這些電路相對(duì)簡(jiǎn)單，在這里就不做過(guò)多介紹了。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是在uC/OS Ⅱ操作系統(tǒng)的平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮的，所以整個(gè)系統(tǒng)涉及到的東西很多，我們可以把程序歸納為主程序、啟動(dòng)任務(wù)、定時(shí)采樣任務(wù)、串行通信任務(wù)四大模塊。主程序?qū)⑾到y(tǒng)及啟動(dòng)任務(wù)運(yùn)行，定時(shí)采樣任務(wù)確保碰撞發(fā)生時(shí)黑匣子里面存入碰撞前60個(gè)數(shù)據(jù)和碰撞后30個(gè)數(shù)據(jù)，串口通訊任務(wù)作用是正確輸入密碼后讀取黑匣子里面的數(shù)據(jù)。

2.2 點(diǎn)火算法描述

經(jīng)過(guò)研究，本系統(tǒng)選用一種加入了垂直量的移動(dòng)窗積分算法。下面具體介紹一下此算法，選定以下幾個(gè)觀(guān)察量作為氣囊點(diǎn)火的條件指標(biāo)。①汽車(chē)碰撞時(shí)的水平方向加速度ax。②汽車(chē)碰撞時(shí)垂直方向的加速度ay，當(dāng)汽車(chē)發(fā)生正向碰撞時(shí)，ay與ax有很大的不一致性[2];而當(dāng)汽車(chē)受到路面干擾，例如汽車(chē)與較高的臺(tái)階直接相撞時(shí)，ay與ax有很大的一致性[2]，可以由此來(lái)判別干擾信號(hào)。首先對(duì)ax（t）進(jìn)行積分，并寫(xiě)成離散形式，得到指標(biāo)S（n，k），當(dāng)S（n，k）超過(guò)預(yù)先設(shè)定值時(shí)，則發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)：

其中n為當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)，k為采樣點(diǎn)數(shù)，f為采樣頻率。然后加上垂直加速度之后，可以提高對(duì)路面干擾的抗干擾能力，形式如下：

S（n，k，ρ）為雙向合成積分量，n，f，k如上定義;ρ為合成因數(shù)，表征兩個(gè)方向加速度在合成算法中的權(quán)重。這種算法主要是考慮了汽車(chē)碰撞時(shí)的加速度因素，當(dāng)加速度的積分達(dá)到一定值的時(shí)候，表示汽車(chē)的碰撞劇烈程度也到達(dá)一定值，會(huì)給乘員帶來(lái)一定傷害。而且這種算法對(duì)于判斷最佳點(diǎn)火時(shí)刻也是很有優(yōu)勢(shì)的，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，利用這種算法得出的點(diǎn)火時(shí)刻離汽車(chē)碰撞的最佳點(diǎn)火時(shí)刻（利用攝像得出）僅差幾微秒，符合要求的精度。

但是這種算法也有其不足，例如沒(méi)有考慮碰撞時(shí)的速度等因素，這樣當(dāng)汽車(chē)低速運(yùn)行的時(shí)候，還是有可能引起誤觸發(fā)。如果將速度信號(hào)引入，則可以進(jìn)一步減少誤觸發(fā)的機(jī)會(huì)。這里簡(jiǎn)單介紹一種方法[1]，當(dāng)知道汽車(chē)速度v時(shí)，可以人為的引入一個(gè)函數(shù)：

當(dāng)v超過(guò)30km/h的時(shí)候，y的值就大于1;反之就小于1。這樣結(jié)合上面的移動(dòng)窗積分算法，提出新的S1，則S1為：

這樣當(dāng)v>30km/h時(shí)，汽車(chē)點(diǎn)火引爆的靈敏度就比原來(lái)大了;而v<30km/h時(shí)，點(diǎn)火靈敏度就比原來(lái)小了。采用增加了速度函數(shù)的算法后，使得v>30km/h時(shí)的靈敏度適當(dāng)增加，同時(shí)也有效的減少了v<30km/h（低速）時(shí)的誤點(diǎn)火幾率，因此到達(dá)了我們的要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

汽車(chē)的安全氣囊要求能在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到汽車(chē)碰撞事件的發(fā)生并控制打開(kāi)安全氣囊。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，一方面硬件的傳感器和安全氣囊要有足夠快的響應(yīng)速度，另一方面就是微處理器和相應(yīng)的事件響應(yīng)程序要能處理得足夠快，因此把嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于汽車(chē)安全氣囊上是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。本文中的安全氣囊電子控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而功能卻比較完善，具有實(shí)際意義。總之，本系統(tǒng)具有低功耗、低成本、體積小、抗干擾性強(qiáng)以及能精確點(diǎn)火爆破等特點(diǎn)。另外，系統(tǒng)還有“黑匣子”的功能，能實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)通訊，對(duì)后繼數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖廣軍，戚其豐.改進(jìn)的汽車(chē)安全氣囊控制算法[J].計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)，11月16日.

[2]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[N].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2003年第43卷第2期.

[3]汪學(xué)方，楊俊波，張鴻海.汽車(chē)安全氣囊智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2005第11期.