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(shí)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(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(hào)=96241579. 0;根據(jù)以上資料可以看出， 目前，國(guó)內(nèi)氣囊研究主要采用8位單片機(jī)作為主控芯片，通過(guò)減速度傳感器或者兩軸加速 度傳感器對(duì)汽車碰撞信息進(jìn)行采集，如果檢查的信息超過(guò)所設(shè)閾值，發(fā)點(diǎn)火信號(hào)，通過(guò)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(duì)EEPR0M、加速度傳感器、點(diǎn)火電路 和氣囊的自檢；通過(guò)串口通信電路對(duì)保存在單片機(jī)里的事故信息進(jìn)行讀取；通過(guò)安全警告 燈為駕駛員提供氣囊是否正常工作的可視信號(hào)；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(hào)，會(huì)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(méi)有打開(kāi)，有時(shí)不具備打開(kāi)條件卻突然打開(kāi)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(duì)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(hào)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)容本實(shí)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(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(jí)智能型汽車安全氣囊控制系統(tǒng)的研究提供平臺(tái)。本實(shí)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(jí)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。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(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(diǎn)火裝置相連?？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。
3[0009]自檢電路上電后，系統(tǒng)首先對(duì)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(wú)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(guò)LM3S1138處理 器內(nèi)置的ADC對(duì)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?？紤]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(guò)溝、坎路面時(shí)，在沒(méi)有發(fā)生碰撞的情況下，也產(chǎn)生較 大信號(hào)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(wú)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(dòng)過(guò)小，無(wú)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(dòng)大功率的負(fù)載。由于繼電器會(huì)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(dòng)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(huì)給乘員 帶來(lái)一定傷害，即刻引爆氣囊。同時(shí)，考慮到國(guó)內(nèi)很多人對(duì)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(duì)嬰兒或者身材過(guò)于矮小的兒童不僅起不到保護(hù)作用，相反氣囊爆 開(kāi)時(shí)與兒童頭部的瞬間接觸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)兒童的承受能力。因此利用重量傳感器進(jìn)行檢測(cè)， 如果檢測(cè)人的重量在40kg以下，則認(rèn)為是嬰兒或者兒童，進(jìn)行語(yǔ)音提醒關(guān)閉引爆氣囊的開(kāi) 關(guān)，以降低氣囊引爆對(duì)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(guò)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(kāi)關(guān)通斷時(shí)，都會(huì)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(guò)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(kāi)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(dòng)庫(kù)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(cè)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(dòng)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(guò)嵌入U(xiǎn)C/OS- II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)各任務(wù)統(tǒng)一管理，加強(qiáng)了控制 系統(tǒng)對(duì)外界信息的實(shí)時(shí)處理能力。本實(shí)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(guò)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
4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。可以 在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)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(chǔ)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(jiǎn)化了軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。針對(duì)LM3S1138等一系列 的微控制器，TI官方免費(fèi)提供了基于C語(yǔ)言(符合ANSI C標(biāo)準(zhǔn))的驅(qū)動(dòng)庫(kù)，它包含了眾多 固件函數(shù)庫(kù)，對(duì)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(wú)需匯編程序的軟件管理，完全可以用驅(qū)動(dòng)庫(kù)C語(yǔ)言函數(shù)進(jìn)行編程開(kāi)發(fā)。 開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序時(shí)，利用驅(qū)動(dòng)庫(kù)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(jiǎn)潔、 可讀性強(qiáng)。對(duì)編寫大型程序而言，采用驅(qū)動(dòng)庫(kù)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(guò)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(jí)任務(wù)可以剝奪正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)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(jí)設(shè)定得高一些，中斷結(jié)束后就會(huì)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(duì)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(wú)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(duì)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(jí)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(hào)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(kāi)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)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施進(jìn)一步說(shuō)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(wú)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(guò)32位微處理器LM3S1138不斷對(duì)加速度 傳感器所測(cè)得的信號(hào)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(guò)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(guò)氣囊上排氣孔的節(jié)流阻尼作用來(lái)緩沖吸收駕駛員動(dòng)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(guò)運(yùn)算通過(guò)PEO 口發(fā)點(diǎn)火觸發(fā)信號(hào)(1)，經(jīng)過(guò)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(dòng)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(cè)到人的重量在40kg以下，表明無(wú)人入座或身材矮小的兒童入座，就進(jìn)行語(yǔ) 音提示，打開(kāi)控制開(kāi)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(hào)， 安全氣囊也不爆破。圖3中三軸加速度傳感器MMA7260(1)測(cè)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(duì)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(guò)uC/OS- II實(shí)時(shí) 操作系統(tǒng)調(diào)用優(yōu)先級(jí)最高的加速度采樣任務(wù)，對(duì)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(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U(xiǎn)C/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(diǎn)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(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(duì)傳感器采集的信號(hào)運(yùn)用移動(dòng)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(hào)B60R21/0132GK201777215SQ20102018172
公開(kāi)日2011年3月30日 申請(qǐng)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(qǐng)人:南昌大學(xué)