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：
本實用新型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火觸發(fā)時間 的智能控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
文獻[1]汪學方，楊俊波.汽車安全氣囊智能控制系統(tǒng)設(shè)計[J]，《機械與電子》， 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行采集，如果檢查的信息超過所設(shè)閾值，發(fā)點火信號，通過觸發(fā) 電路觸發(fā)氣囊；文獻[1]中還具有系統(tǒng)自檢電路，包括對EEPR0M、加速度傳感器、點火電路 和氣囊的自檢；通過串口通信電路對保存在單片機里的事故信息進行讀??；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處理這些信號，會導(dǎo)致安全氣囊引爆錯誤——汽車碰撞 比較嚴重時卻沒有打開，有時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)能在瞬間完成實時處理和復(fù)雜的運算，并在極短的時間內(nèi)對碰撞事故作出處 理，即要求其具有較高的運算速度，時滯較小，以適應(yīng)汽車安全氣囊的實時控制要求。一般的8位單片機信號處理能力不強，在實際應(yīng)用中，安全氣囊時常未起到相應(yīng) 的保護作用。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是為了克服現(xiàn)有氣囊控制系統(tǒng)安全保護作用上的不足，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。本實用新型所采用的技術(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，利用其強大的數(shù)據(jù)處理功能實時處理傳感器采集的 信息，及時引爆安全氣囊保護乘員安全。本系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)是在包括微控處理器、加速度傳感器、點火觸發(fā)電路、系統(tǒng) 自檢電路、串口通信電路、安全警告燈的系統(tǒng)中，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)；加速度傳感器為三軸加速度傳感器，與LM3S1138的1 腳ADCO (ADC零)、2腳(ADC1)、5腳(ADC2)相連接；在副駕駛座下面設(shè)置重量傳感器，與 LM3S1138的6腳(ADC3)相連接；LM3S1138的72腳(PEO)與觸發(fā)電路相連，JPl 口與安全 氣囊點火裝置相連。控制系統(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、通訊電路和報警電路等組成。
3[0009]自檢電路上電后，系統(tǒng)首先對EEPR0M、加速度傳感器、點火電路等自檢，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，報警電路進行聲光報警，表明系統(tǒng)無法正 常工作，通知駕駛員及時修理。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IM/ s，精度足夠用于安全氣囊。各個傳感器從相應(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，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而發(fā)生誤爆，故當汽車Z軸(垂直方向)產(chǎn)生較大 的加速度時，無論X軸方向加速度如何，安全氣囊均設(shè)計為不啟爆，以增強路面抗干擾性。觸發(fā)電路由于氣囊氣體發(fā)生器的點爆時需20mA的電流脈沖。若直接用LM3S1138 的I/O 口輸出高電平進行引爆，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的加速度因 素，當加速度的積分達到一定值的時候，表示汽車的碰撞劇烈程度也到達一定值，會給乘員 帶來一定傷害，即刻引爆氣囊。同時，考慮到國內(nèi)很多人對安全氣囊的保護作用不甚了解， 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作用，相反氣囊爆 開時與兒童頭部的瞬間接觸力遠遠超過兒童的承受能力。因此利用重量傳感器進行檢測， 如果檢測人的重量在40kg以下，則認為是嬰兒或者兒童，進行語音提醒關(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，確保安全氣囊及時引爆。電壓調(diào)節(jié)電路汽車上電器負載變化頻繁，許多電感線圈和開關(guān)通斷時，都會造成 負載電流突變。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，報警燈立即點亮。通訊電路為便于分析事故原因，將碰撞前的90個數(shù)據(jù)和撞車后的90個數(shù)據(jù)都記 錄在LM3S1138內(nèi)置的Flash中，PC機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)動庫例程進行模塊化程序設(shè)計，把整個系 統(tǒng)程序分為若干個小程序或模塊，分別進行獨立設(shè)計、編程、測試。最后將各模塊構(gòu)建一個 完整的工程，完成應(yīng)用程序設(shè)計。將整個工程分成了主程序、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實時操作系統(tǒng)對各任務(wù)統(tǒng)一管理，加強了控制 系統(tǒng)對外界信息的實時處理能力。本實用新型的有益效果是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
4的延遲縮短到6個機器周期，在實際應(yīng)用中可減少70%中斷，增強了程序的執(zhí)行效率?？梢?在極短時間內(nèi)對碰撞事故做出處理，瞬間完成實時處理和復(fù)雜運算，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官方免費提供了基于C語言(符合ANSI C標準)的驅(qū)動庫，它包含了眾多 固件函數(shù)庫，對每一個外設(shè)都有相應(yīng)例程，可以很方便地根據(jù)應(yīng)用需要進行修改和移植。因 此在軟件編程時，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)進行編程開發(fā)。 開發(fā)應(yīng)用程序時，利用驅(qū)動庫的例程進行模塊化設(shè)計，不僅程序編寫方便，而且代碼簡潔、 可讀性強。對編寫大型程序而言，采用驅(qū)動庫能增強可靠性和安全性，同時降低維護成本。32位CPU特別適于運行多任務(wù)實時系統(tǒng)，通過嵌入μ C/0S-II實時操作系統(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， 同時提高了系統(tǒng)的實時性。因為μ C/0S-II是一個占先式的內(nèi)核，即已經(jīng)準備就緒的高優(yōu) 先級任務(wù)可以剝奪正在運行的低優(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46個I/O 口，軟件上采用實時操作系統(tǒng)進行管理，大 大增強了系統(tǒng)的可擴展性，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)點火觸發(fā)電路原理圖。圖中，LM3S1138發(fā)點火信號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。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的實施進一步說明圖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，報警電路進行聲光報警，表明系統(tǒng)無法正 常工作，通知駕駛員及時修理。當自檢正常時，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行采樣。當汽車受到一定角度內(nèi)的高速碰撞時，系統(tǒng)在經(jīng)過算法分 析確認之后，立即觸發(fā)氣囊包內(nèi)的點火器，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，從而達到保 護駕駛員安全的目的。圖2中LM3S1138控制器經(jīng)過運算通過PEO 口發(fā)點火觸發(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實時 操作系統(tǒng)調(diào)用優(yōu)先級最高的加速度采樣任務(wù)，對加速度值實時處理，一旦達到引爆條件，即 刻引爆氣囊。
權(quán)利要求1. 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/0S-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ADCO(ADC零)、2腳 (ADCl)、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(PEO)與觸發(fā)電路相連，JPl口與安全氣囊點火裝置相連。
專利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，聲光報警電路。各控制任務(wù)由嵌入實時操作系統(tǒng)uC/OS-II統(tǒng)一管理，對傳感器采集的信號運用移動積分窗爆破算法判斷是否達到引爆條件。該控制系統(tǒng)不僅可以較為準確控制點火觸發(fā)時間，而且集成度高、體積小、可擴展性強。
文檔編號B60R21/0132GK201777215SQ20102018172
公開日2011年3月30日 申請日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者管菊花, 羅小青, 郭波 申請人:南昌大學