專利名稱：安全氣囊智能控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車安全氣囊控制領(lǐng)域，尤其是精確控制安全氣囊點(diǎn)火觸發(fā)時(shí)間的智 能控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
文獻(xiàn)[1]汪學(xué)方，楊俊波.汽車安全氣囊智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，《機(jī)械與電子》， 2005(11) ； [2]汽車安全氣囊智能控制系統(tǒng)專利號=96241579. 0;根據(jù)以上資料可以看出， 目前，國內(nèi)氣囊研究主要采用8位單片機(jī)作為主控芯片，通過減速度傳感器或者兩軸加速 度傳感器對汽車碰撞信息進(jìn)行采集，如果檢查的信息超過所設(shè)閾值，發(fā)點(diǎn)火信號，通過觸發(fā) 電路觸發(fā)氣囊；文獻(xiàn)[1]中還具有系統(tǒng)自檢電路，包括對EEPR0M、加速度傳感器、點(diǎn)火電路 和氣囊的自檢；通過串口通信電路對保存在單片機(jī)里的事故信息進(jìn)行讀??；通過安全警告 燈為駕駛員提供氣囊是否正常工作的可視信號；備用電源電路保證系統(tǒng)失去電源的情況下 還能正常工作。由于氣囊引爆的條件很嚴(yán)格，與碰撞的速度、碰撞的角度、減速度值、變形量等等 都有關(guān)系，如果控制芯片不能及時(shí)處理這些信號，會導(dǎo)致安全氣囊引爆錯(cuò)誤——汽車碰撞 比較嚴(yán)重時(shí)卻沒有打開，有時(shí)不具備打開條件卻突然打開傷到駕駛員或乘員。故需要安全 氣囊控制系統(tǒng)能在瞬間完成實(shí)時(shí)處理和復(fù)雜的運(yùn)算，并在極短的時(shí)間內(nèi)對碰撞事故作出處 理，即要求其具有較高的運(yùn)算速度，時(shí)滯較小，以適應(yīng)汽車安全氣囊的實(shí)時(shí)控制要求。一般的8位單片機(jī)信號處理能力不強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中，安全氣囊時(shí)常未起到相應(yīng) 的保護(hù)作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有氣囊控制系統(tǒng)安全保護(hù)作用上的不足，提供一種智 能型安全氣囊控制系統(tǒng)，以降低現(xiàn)有安全氣囊不能準(zhǔn)確引爆所引發(fā)的安全隱患，并為多級 智能型汽車安全氣囊控制系統(tǒng)的研究提供平臺。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是主控芯片選用TI公司基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32 位工業(yè)級微控處理器LM3S1138，利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能實(shí)時(shí)處理傳感器采集的信息， 及時(shí)引爆安全氣囊保護(hù)乘員安全?？刂葡到y(tǒng)主要由自檢電路、傳感器和數(shù)據(jù)采集電路、觸發(fā)電路、備用電源電路、電 壓調(diào)節(jié)電路、通訊電路和報(bào)警電路等組成。自檢電路上電后，系統(tǒng)首先對EEPR0M、加速度傳感器、點(diǎn)火電路等自檢，確定觸 發(fā)電路是否可以正常工作。若觸發(fā)電路存在故障，報(bào)警電路進(jìn)行聲光報(bào)警，表明系統(tǒng)無法正 常工作，通知駕駛員及時(shí)修理。傳感器和數(shù)據(jù)采集電路LM3S1138處理器內(nèi)置8通道10位ADC，采樣速率可達(dá)IM/ s，精度足夠用于安全氣囊。各個(gè)傳感器從相應(yīng)的輸出管腳輸出電壓值，通過LM3S1138處理 器內(nèi)置的ADC對電壓值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再存入到軟件設(shè)定的數(shù)組中。考慮到剛性碰撞和彈性碰撞在相同車速時(shí)后果截然不同，因此采用加速度作為引爆控制條件?？刂葡到y(tǒng)選用三軸加速度傳感器，為避免汽車高速駛過溝、坎路面時(shí)，在沒有發(fā)生碰撞的情況下，也產(chǎn)生較 大信號疊加在低速碰撞的碰撞波形上進(jìn)而發(fā)生誤爆，故當(dāng)汽車Z軸(垂直方向)產(chǎn)生較大 的加速度時(shí)，無論X軸方向加速度如何，安全氣囊均設(shè)計(jì)為不啟爆，以增強(qiáng)路面抗干擾性。觸發(fā)電路由于氣囊氣體發(fā)生器的點(diǎn)爆時(shí)需20mA的電流脈沖。若直接用LM3S1138 的I/O 口輸出高電平進(jìn)行引爆，驅(qū)動過小，無法滿足要求。系統(tǒng)選用電磁式繼電器，在 LM3S1138輸出口的控制下可驅(qū)動大功率的負(fù)載。由于繼電器會產(chǎn)生較明顯的干擾，故在繼 電器周圍加抗干擾電路的同時(shí)與光電耦合器配合使用，使得處理器與觸發(fā)電路光電隔離。 點(diǎn)火算法采用垂直量的移動窗積分算法，這種算法主要是考慮了汽車碰撞時(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，表示汽車的碰撞劇烈程度也到達(dá)一定值，會給乘員 帶來一定傷害，即刻引爆氣囊。同時(shí)，考慮到國內(nèi)很多人對安全氣囊的保護(hù)作用不甚了解， 副駕駛座位的安全氣囊對嬰兒或者身材過于矮小的兒童不僅起不到保護(hù)作用，相反氣囊爆 開時(shí)與兒童頭部的瞬間接觸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過兒童的承受能力。因此利用重量傳感器進(jìn)行檢測， 如果檢測人的重量在40kg以下，則認(rèn)為是嬰兒或者兒童，進(jìn)行語音提醒關(guān)閉引爆氣囊的開 關(guān)，以降低氣囊引爆對他們的傷害。備用電源電路防止碰撞后電路斷電而不能引爆氣囊，通過其自放電功能，向引爆 電路輸出應(yīng)急電流，確保安全氣囊及時(shí)引爆。電壓調(diào)節(jié)電路汽車上電器負(fù)載變化頻繁，許多電感線圈和開關(guān)通斷時(shí)，都會造成 負(fù)載電流突變。電壓調(diào)節(jié)電路維持各元件工作電壓平衡，使控制電路始終處于最佳狀態(tài)，一 旦出現(xiàn)短路或斷路，報(bào)警燈立即點(diǎn)亮。通訊電路為便于分析事故原因，將碰撞前的90個(gè)數(shù)據(jù)和撞車后的90個(gè)數(shù)據(jù)都記 錄在LM3S1138內(nèi)置的Flash中，PC機(jī)通過串行口讀出氣囊控制系統(tǒng)黑匣子中的數(shù)據(jù)，讀取 密碼開發(fā)人員可自行設(shè)置。本系統(tǒng)軟件程序利用TI公司提供的驅(qū)動庫例程進(jìn)行模塊化程序設(shè)計(jì)，把整個(gè)系 統(tǒng)程序分為若干個(gè)小程序或模塊，分別進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)、編程、測試。最后將各模塊構(gòu)建一個(gè) 完整的工程，完成應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。將整個(gè)工程分成了主程序、啟動任務(wù)、加速度采樣任務(wù)、串 行通信任務(wù)等四大模塊，通過嵌入uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對各任務(wù)統(tǒng)一管理，加強(qiáng)了控制 系統(tǒng)對外界信息的實(shí)時(shí)處理能力。本發(fā)明的有益效果是LM3S1138微處理器結(jié)合了 Thumb_2指令32位哈佛微體系 結(jié)構(gòu)。Thumb-2技術(shù)提高了代碼密度，比32位編碼減少了 26%內(nèi)存使用率，較16位編碼提 高了 25%性能。通過降低時(shí)鐘頻率，提供更低的功耗，降低了研發(fā)成本，提高了企業(yè)效率。LM3S1138微處理器在芯片上采用了 Tail-Chaining中斷技術(shù)，該技術(shù)把中斷之間 的延遲縮短到6個(gè)機(jī)器周期，在實(shí)際應(yīng)用中可減少70%中斷，增強(qiáng)了程序的執(zhí)行效率?？梢?在極短時(shí)間內(nèi)對碰撞事故做出處理，瞬間完成實(shí)時(shí)處理和復(fù)雜運(yùn)算，降低氣囊誤爆以及可 能產(chǎn)生的副作用，降低引爆氣囊而造成的經(jīng)濟(jì)損失。LM3S1138微控制器是片上系統(tǒng)(SoC)，集成了 ADC、模擬比較器、flash存儲器等外 設(shè)資源并且價(jià)格低廉，故構(gòu)建的系統(tǒng)集成度高、體積小、成本低。系統(tǒng)采用Cortex-M3內(nèi)核處理器簡化了軟件開發(fā)環(huán)境。針對LM3S1138等一系列 的微控制器，TI官方免費(fèi)提供了基于C語言(符合ANSI C標(biāo)準(zhǔn))的驅(qū)動庫，它包含了眾多固件函數(shù)庫，對每一個(gè)外設(shè)都有相應(yīng)例程，可以很方便地根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行修改和移植。因此在軟件編程時(shí)，無需匯編程序的軟件管理，完全可以用驅(qū)動庫C語言函數(shù)進(jìn)行編程開發(fā)。 開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)，利用驅(qū)動庫的例程進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，不僅程序編寫方便，而且代碼簡潔、 可讀性強(qiáng)。對編寫大型程序而言，采用驅(qū)動庫能增強(qiáng)可靠性和安全性，同時(shí)降低維護(hù)成本。32位CPU特別適于運(yùn)行多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，通過嵌入μ C/0S-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，不僅 可以充分發(fā)揮32位CPU的多任務(wù)潛力，提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性，使其更容易做到不崩潰， 同時(shí)提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。因?yàn)棣?C/0S-II是一個(gè)占先式的內(nèi)核，即已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的高優(yōu) 先級任務(wù)可以剝奪正在運(yùn)行的低優(yōu)先級任務(wù)的CPU使用權(quán)，只需把MMA7260采集到的加速 度數(shù)據(jù)處理程序的優(yōu)先級設(shè)定得高一些，中斷結(jié)束后就會立即執(zhí)行數(shù)據(jù)處理程序，加速度 一旦達(dá)到設(shè)定閾值，即刻引爆氣囊。對安全氣囊觸發(fā)電路，從軟、硬件兩個(gè)角度考慮如果座位上為嬰兒或者身材矮小 的兒童不引爆氣囊。這樣既防止在無人入座的狀態(tài)下引爆氣囊而造成的經(jīng)濟(jì)損失，又避免 了氣囊對嬰兒或身材矮小的兒童造成傷害。由于LM3S1138微處理器多達(dá)46個(gè)I/O 口，軟件上采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行管理，大 大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，可在此基礎(chǔ)上研發(fā)多級智能型汽車安全氣囊控制系統(tǒng)。


圖1安全氣囊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2是智能安全氣囊控制系統(tǒng)點(diǎn)火觸發(fā)電路原理圖。圖中，LM3S1138發(fā)點(diǎn)火信號ΡΕ0，光電耦合器U1，限流電阻R1，功率三極管Q1，二 極管D1，電容Cl，限流電阻R2，發(fā)光二極管DS1，二極管D2，電磁式繼電器K1，電阻R3，電容 C2，開關(guān)Si，JPl安全氣囊點(diǎn)火裝置接口。其中電阻阻值IK左右，電容容值0. Iuf0圖3是智能安全氣囊控制系統(tǒng)加速度采集原理圖。圖中，MMA7260為三軸加速度傳感器，電阻R1、R2、R3的阻值IK左右，電容C1，C2， C3的容值0. Inf。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施進(jìn)一步說明圖1安全氣囊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。其工作原理為上電后，系統(tǒng)進(jìn)行自檢，確定觸 發(fā)電路是否可以正常工作。若觸發(fā)電路存在故障，報(bào)警電路進(jìn)行聲光報(bào)警，表明系統(tǒng)無法正 常工作，通知駕駛員及時(shí)修理。當(dāng)自檢正常時(shí)，通過32位微處理器LM3S1138不斷對加速度 傳感器所測得的信號進(jìn)行采樣。當(dāng)汽車受到一定角度內(nèi)的高速碰撞時(shí)，系統(tǒng)在經(jīng)過算法分 析確認(rèn)之后，立即觸發(fā)氣囊包內(nèi)的點(diǎn)火器，氣囊迅速充滿氣體，阻擋駕駛員與汽車構(gòu)件之間 可能發(fā)生的碰撞，通過氣囊上排氣孔的節(jié)流阻尼作用來緩沖吸收駕駛員動能，從而達(dá)到保 護(hù)駕駛員安全的目的。圖2中LM3S1138控制器經(jīng)過運(yùn)算通過PEO 口發(fā)點(diǎn)火觸發(fā)信號(1)，經(jīng)過光電耦合 器⑵把微處理器與觸發(fā)電路光電隔離，加強(qiáng)了電磁式繼電器(10)的抗干擾能力。功率三 極管(4)導(dǎo)通使得電磁式繼電器(10)工作，驅(qū)動安全氣囊點(diǎn)火裝置。如果安放在座位下的 重量傳感器檢測到人的重量在40kg以下，表明無人入座或身材矮小的兒童入座，就進(jìn)行語音提示，打開控制開關(guān)，觸發(fā)電路形成不了回路，即使汽車發(fā)生碰撞且算法發(fā)出點(diǎn)火信號， 安全氣囊也不爆破。 圖3中三軸加速度傳感器MMA7260(1)測得加速度后，從其輸出管腳13輸出X軸電 壓值、從其輸出管腳14輸出Y軸電壓值、從其輸出管腳15輸出Z軸電壓值，傳至LM3S1138 處理器內(nèi)置的ADC對電壓值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，存入到軟件設(shè)定的數(shù)組中，通過uC/OS-II實(shí)時(shí) 操作系統(tǒng)調(diào)用優(yōu)先級最高的加速度采樣任務(wù)，對加速度值實(shí)時(shí)處理，一旦達(dá)到引爆條件，即 刻 引爆氣囊。
權(quán)利要求
一種安全氣囊智能控制系統(tǒng)，包括微控處理器、加速度傳感器、點(diǎn)火觸發(fā)電路、系統(tǒng)自檢電路、串口通信電路、安全警告燈，其特征在于(1)微控處理器為32位高性能微控處理器LM3S1138，嵌入uC/OS-II操作系統(tǒng)；(2)加速度傳感器為三軸加速度傳感器，與LM3S1138的1腳(ADC0)、2腳(ADC1)、5腳(ADC2)相連接；(3)在副駕駛座下面設(shè)置重量傳感器，與LM3S1138的6腳(ADC3)相連接；(4)LM3S1138的72腳(PE0)與觸發(fā)電路相連，JP1口與安全氣囊點(diǎn)火裝置相連。
全文摘要
一種用于汽車安全氣囊的智能控制系統(tǒng)，以32位高性能主控芯片LM3S1138為核心，配以必要的外圍電路，包括三軸加速度傳感器，重量傳感器，觸發(fā)電路，電壓調(diào)節(jié)電路，串口通信電路，聲光報(bào)警電路。各控制任務(wù)由嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II統(tǒng)一管理，對傳感器采集的信號運(yùn)用移動積分窗爆破算法判斷是否達(dá)到引爆條件。該控制系統(tǒng)不僅可以較為準(zhǔn)確控制點(diǎn)火觸發(fā)時(shí)間，而且集成度高、體積小、可擴(kuò)展性強(qiáng)。
文檔編號B60R21/16GK101817331SQ20101016117
公開日2010年9月1日 申請日期2010年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月4日
發(fā)明者管菊花, 羅小青, 郭波 申請人:南昌大學(xué)