汽车智能安全系统

1 第五届 Freescale 杯嵌入式处理器设计应用大赛 汽汽车车智智能能安安全全系系统统 参 赛 题 目：汽车智能安全系统 参 赛 组：半导体电场传感器组 参 赛 号：E10599 参赛人名单：周喜川 Zhou Xichuan 郭宏 Guo Hong 付凯 Fu Kai 刘伟力 Liu Weili 参赛人单位：浙江大学竺可桢学院 通 讯 地 址：浙江省杭州市浙江大学玉泉校区（310027） 电 子 邮 件：zhouxc@zju.edu.cn 电 话：13858124687 2 目录 1.引言.............................................................................................................................................3 2.设计概述.................................................................................................................................4 2.1 为什么开发智能安全系统.......................................................................................4 2.2 系统的功能及原理......................................................................................................4 2.2.1 功能........................................................................................................................5 2.2.2 原理........................................................................................................................6 3.硬件描述.................................................................................................................................8 3.1 MCU 模块............................................................................................................................9 3.2 模拟量采集模块............................................................................................................10 3.2.1 模拟成像传感器..................................................................................................10 3.2.2 压强传感器............................................................................................................11 3.2.3 加速度传感器........................................................................................................12 3.3 数字量采集模块...........................................................................................................12 3.4 硬件在环仿真系统......................................................................................................12 3.5 CAN 接口设计..............................................................................................................13 4.软件描述.................................................................................................................................13 4.1 系统输出控制信号的延迟时间控制....................................................................13 4.2 查表法的映射关系....................................................................................................14 4.2.1 决定查表地址的输入信号..................................................................................14 4.2.2 各参数和查表地址之间的关系.........................................................................14 4.2.3 内容................................................................................................................15 4.3 软件流程图....................................................................................................................16 5.系统的低功耗设计和可靠性设计..........................................................................17 5.1 低功耗设计........................................................................................................................17 5.2 可靠性设计........................................................................................................................17 6.小结..............................................................................................................................................17 7.参考资料...................................................................................................................................17 3 1 引言 安全带和安全气囊是汽车碰撞事故中最有效的乘员保护设施。据有关 数据表明，佩带座椅安全带可以使碰撞事故中乘员伤亡率减少15 %-30 %。 安全气囊对驾驶员和乘员的头部、颈部安全再发生正面碰撞时有着十分明 显的保护作用。 但是由于实际碰撞事故的复杂多样性，无论是安全带还是安全气囊， 其保护作用都有其局限性，而且如使用或设计不当还会带来较大的负面影 响。具体表现在： 当小规模事故发生时，气囊对乘员的伤害很有可能超过事故本身。当 驾驶员乘坐位置过于靠近方向盘时（out of position，即OOP），安全气 囊系统来内部气体发生器约在30 ms内将气袋充满，巨大的冲击力将对离气 囊组件很近并处于膨胀方向的乘员的头部和颈部造成严重伤害;按标准位 置乘员设计的气囊系统，极有可能对离位乘员和小身材妇女甚至儿童造成 伤害；对于大尺寸乘员来说，碰撞中常常会将气囊压扁后与转向盘碰撞， 也就是说普通气囊难以对大尺寸乘员起到应有的防护作用。 就此摆在车在安全系统设计人员面前的问题就是：怎样开发出一套针 对个人而非针对标准的安全系统，这种系统要能够对乘员情况进行实时监 控，并通过监控得到的参数在碰撞过程中控制安全系统。 开发新型智能安全系统的重要 性毋庸置疑。据有关数据统计，到 2004年，35%的新型车将装备智能人 员识别系统。按照美国的标准，到 了2006年，所有的都必须装备此类 系统。可以毫不犹豫地说，开发汽 车智能安全系统在今后将具有广阔 的市场前景。 MOTOROLA公司所开发的传感器 和微处理器在汽车控制方面具有很高的性能价格比。而本次参赛所采用的 传感器是该公司最新开发的电场成像器件MC33794，该芯片非常适合用于测 量和人有关的物理参数（因为人体本身主要由水组成，而水里的金属元素 是人体成为具有常电解特性的良导体。）所以我们以该传感器为核心，优化 4 了传感器安排，重新设计了该智能安全系统。此系统使用传感器和高性能 MCU来探测驾驶员的体型、位置和重量并决定安全带和安全气囊的工作状 态。 2 设计概述 2.1 为什么开发智能安全系统？ 首先，据National Highway Traffic Safety administration(NHTSA) 的调查, 大多数应安全气囊受伤的乘员（aggressive air bag）都是由于 不恰当的乘坐位置。新的智能安全系统通过MC33794电场成像芯片，实时监 控驾驶员的乘坐位置，在碰撞发生时，自动调节安全带矫正乘员乘坐位置。 若乘员是乘坐位置不当的儿童,为了避免安全气囊伤害乘员,气囊将不展 开。 其次，传统的安全带气囊系统是建立在三种用于汽车碰撞的人模 (Hydrid3)之上的： （1） 50%人模: 代表平均身高1.77米和体重86公斤 （2） 95%人模: 包括95%的人的身高1.88米和体重108公斤. （3） 5%人模: 代表5%的矮小身材1.48米和体重56公斤. 该统计未考虑体重小于5%人模的儿童。传统的安全气囊时在打开时会 对大多数的儿童颈部造成巨大压强，根据NHTSA 2003.1.1的测试报告，在 242起由安全气囊引起的受致命伤害的模型中，119起是儿童模型。同时大 多数的在交通事故中死亡的儿童颈部都因使用安全气囊而对颈部造成致命 损伤。与之相对的是，大体型的乘员（提醒超过95%人模）在事故中又常常 压扁安全气囊而撞到方向盘。 针对以上考虑，新开发的智能的安全系统能自动识别成员的体型，并将 体型作为影响气囊控制参数的一个因子，实现个人化的安全气囊控制。 2.2系统的功能及原理 本次设计的目标是开发一种通用的不限车型的智能安全系统。该系统 能既能用作驾驶位安全汽囊控制系统，也能安装在乘客位控制乘客位安全 汽囊系统。利用 5 单片机精确地控制安全气囊的开放和安全带的收紧程度，以此来避免因 为安全气囊的非必要或不充分打开而引起的人员伤亡。 本系统并不直接控制安全气囊与安全带，而是作为CAN总线内的一个 节点，向实际控制安全气囊和安全带的微控制器发出部分控制参数。借 以实现安全系统的智能化。 2.2.1 系统应具备的功能： 1.针对安全气囊的功能设计 ⑴智能气囊开关控制（Automatic Air Bag On-Off Switches）。 关键因素是碰撞发生时的加速度。在国家鉴定试验中，碰撞瞬时的 加速度约为-40g；当由碰撞造成的减速度小于40g时气囊不会打开。另 外，考虑到气囊并非针对儿童设计，当汽车发生碰撞时气囊有可能对儿 童造成致命伤害，故当乘员乘坐姿势不当的儿童（体重小于30公斤）时， 气囊将永远不会打开。（建议使用带有儿童安全带的反向安全座位）。 ⑵双气囊喷射口多级延时喷射 为了能够实现在发生汽车碰撞时，不同体型的人受到不同膨胀程度 的气囊的保护， 我们采用了双气囊喷射口模型。并且通过控制每个喷 射口相对碰撞时刻的延时长短来控制气囊开始膨胀的时刻及最终膨胀 程度。 采用上述的功能设计是因为经研究表明，并非在汽车发生碰撞之后 立即打开气囊就能取得最好的保护效果，而是要经过一段延时（典型值 10ms）。延时具体值则取决于碰撞导致的汽车加速度和乘员体型的大小。 2.安全带预调整。 在发生碰撞时，汽车安全智能系统通过采样有电场成像器件检测 的各电极电压值来获取乘员的乘坐姿势与位置（这是本次大赛建议使 用芯片MC33794的一大功能），若乘客身体过于接近方向盘则提前收紧 安全带，减小OOP（out of position）程度，进一步保证乘客安全。 6 2.2.2工作原理 1.工作原理图 2.系统原理 OOP的概念：即out of position,是指驾驶员在驾驶时偏离正确的坐姿 而靠近方向盘的情况。本中多次用到这一概念，故在此强调说明。 系统组成如上图一所 示。驾驶员坐上座位时，电 场成像器件MC33794则通过 查询循环不断检测驾驶舱 内电场变化，得到驾驶员实 时的位置/坐姿参数（由传 感器各电极电压匹配乘员 姿势的示意图如右边所 示）；放在座位下的压强传 感器将驾驶员对座位的压 强参数传给MCU，；同时安全 带传感器（本系统简化为一个开关电路）则负责将驾驶员是否系上安全带 的信号传给MCU。 当汽车速度急速下降时，若加速度大于中断阀值（即使得单片机进入 7 中断服务程序的加速度），则向MCU发出外部中断，MCU将加速度传感器得 到的模拟量A/D转化后判断该加速度是否超过安全气囊的开启阀值。若已 超过，则将各传感器得到的参数转变为查表地址(详细的阐述见第四部分 软件描述)，进而查表得到气囊参数受传感器参数。 上面所提到的中断阀值与气囊开启阀值是两个不同的概念，产生中 断的加速度阀值处于由于轻微碰撞应起的加速度和由于急刹车引起的 加速度之间（大约20g）。而气囊开启加速度则大于这个值，根据国家规 定，碰撞瞬时的加速度阀值为-40g左右。 气囊最终喷出气体体积大小由是由一个还是两个喷口喷气以及喷 气延时长短决定；而喷气口的数量以及喷气延时长短又由经过了A/D转 化的各传感器测得的参数决定。 下面列出的是由传感器得到的参数与气囊控制信号之间的关系。具 体的值取决于采用的汽车模型与碰撞模型，两喷口开启的延时时间典型 值为：12ms,20ms,30ms (50 mile/hour)。 气囊膨胀体积 系安全带：随着驾驶员的体重/体型的增大气囊的膨胀体积将增大; 未系安全带：在乘员体型相同前提下，气囊体积较系上安全带的情况大。 气囊开启加速度阀值 由于未佩带安全带的乘员比佩带安全带的乘员所需要的安全气囊提 供保护时的速度更低，因此对未佩带安全带的乘员气囊打开的减速度阀 值较小。 喷气延时长短 随着由碰撞造成的减速度（碰撞严重程度）的增大，气囊口的开放 与延迟如下： ⑴对于小体型的乘员 减速度 （碰撞程度） 大小 打开喷口数目 (系安全带/未系) 第一个喷口 的延迟时间 两喷口间延 迟时间(系安全 带/未系) 大 2/2 较短 中/小 中 2/2 较长 大/中 小 0/1 长 无效 8 ⑵对于中等体型的乘员 减速度（碰撞 程度）大小 打开喷口数目(系安 全带/未系) 第一个喷口的延迟 时间 两喷口间延迟时 间(系安全带/未系) 大 2/2 短 中/小 中 2/2 较长 大/中 小 2/2 长 大/大 ⑶对于大体型的乘员 减速度（碰撞 程度）大小 打开喷口数目(系安 全带/未系) 第一个喷口的延迟 时间(系安全带/未系) 两喷口间延迟时 间(系安全带/未系) 大 2/2 短 小/小 中 2/2 较短 中/小 小 2/2 较长 大/中 3 硬件描述 车载智能安全系统的硬件框图如下 9 3.1 MCU 模块 系统微处理器选择 MC68HC908GZ16，它的框图如下： 选择这块芯片基于以下理由： ⑴低成本：高速低价构架，芯片只要不到＄4；内带 TBM 与 CAN 控制器， 减少外界电路成本。 ⑵足够的资源：系统有 37 个 I/O 口，可以很方便的与安全带开关以及 刹车电路相连。剩下的可 以留作以后扩展电路连接更多传感器所用。 内置的八路（压强传感 3 路、加速度传 感 1路、电场成像器件 2 路） AD 转换口使与传感器的联机变得容易。 ⑶安全可靠：系统要有非常高的可靠性，MC68HC908 系列的芯片在稳定 性和抗干扰能力方面表现不俗，所以能极好地满足这一要求。具有置 COP 模块，完成 Watchdog 功能，防止软件死锁。 10 ⑷支持 LIN 1.2 break symbols ⑸支持 FLASH,便于产品开发，升级；针对不同车型下载不同控制数据。 3.2 模拟量采集模块 3.2.1 电场成像器件 MC33794 MC33794 是模拟量采集模块的核心，它用来获取驾驶乘员的位置/姿势参 数。它的内部结构如下： 11 MC33794 的工作原理如下图所示。正弦波生成器与外接负载电阻配合 产 120kHz 的纯正弦波，当电极的电场发生变化时，相应的电容值发生改变， 测得的电压与 1/C 成比例，即电容增加检测的电压减小。 MC33794 通过对安装在车座位上 9 个电极电压大小的检测可以推得驾 驶乘员的位置/姿势参数，从而判断 OOP 情况。在本系统中,九个电极被安 放在座位及周围,用于测量乘员的姿势信息。 3.2.2 压强传感器 MPXV5050DP (MOTOROLA) 测量人的体重参数(0 to 300kg)，转化为对椅子的压强参数约为0 to 50kpa。 选择该传感器的好处在于： ⑴ Pressure Range 为 50kpa，同时考虑冗余与精确度因素。 ⑵ 集成的 5000 系列不需要放大，非常容易与单片机相连 ⑶ 片上自带进量程、偏移校准电路与温度补偿电路。 12 3.2.3 加速度传感器 MMA1200D (MOTOROLA) 选择 MMA1200D 的理由是： ⑴ 大测量范围+-250g，适用于由于碰撞造成的加速度测量。 ⑵ 随时可以自检，提高系统可靠性。 ⑶ 提供状态输出，实现自动错误检测。 3.3 数字量采集模块 这里的数字量主要是两个开关信号： 安全带信号=>系了安全带时为低点平；未系时为高电平。 3.4 硬件在环仿真系统 控制器制作完成后，一般并不能直接上车使用，需要大量的调试工作。 硬件在环仿真是一条有效的调试手段（上图所示）。我们在PC 机上开发了 一个单片机集成调试环境，包括友好的人机界面、与单片机的通信模块、 控制过程的显示等。同时也要为单片机编写相应的串行口通信和命令服务 程序。 13 同时在连接的PC上开发了一套模拟演示系统。PC上的演示程序向系 统发出碰撞时候的加速度数据以及模拟判断是否系上安全带的数据。系统 将处理结果向CAN总线发送的同时向串口发送，并在演示程序的界面上实时 的显示出来。同时由传感器测量的数据 也通过串口向PC发送并动态地显示。 3.5 CAN 接口设计 CAN 总线接口电路如图所示： 68HC908GZ16 单片机有 CAN 控制器， 由 82C250 组成 CAN 总线系统，CAN 编 程需要考虑的问题有 CAN 、CAN 速 率、CAN 中断等。实现了 CAN 协议的 调试功能。 4 软件描述 4.1 系统输出控制信号的延迟时间控制 安全气囊的控制要求有极高的实时性，一般情况下系统要在毫秒级的 时间内输出控制信号。对于本系统而控制信号的输出延迟为： 输出延迟时间=硬件延迟时间+MCU 处理时间。 本系统硬件延迟时间主要有A/D转换的时间决定，而MCU自带的A/D转换 时间略为17微秒。所以影响输出延迟的主要因素是MCU处理时间。 本系统的输出控制信号为气囊的控制信号和安全带预收紧的信号。气 囊的控制信号采取查表法来得到。输入信号决定表的地址，表的内容为输 出信号。查表时间为一个指令周期。 安全带预收紧信号通过电传感器的 9 个电极测得电压值构成的电压曲 线与人在正确坐姿情况下得电压曲线相比较，得到 OOP 的程度。由 OOP 的 程度决定安全带预收紧的程度。 14 查表所需时间为一个指令周期。测量比较 OOP 程度所需时间在微秒级。 这样，整个系统的控制信号输出延迟（微秒级）远远小于现行规定的汽车 碰撞后气囊打开时间（为毫秒级）。所以方案是切实可行的 4.2 查表法的映射关系 4.2.1 决定查表地址的输入信号 ⑴经过A/D转换的压强参数。 ⑵经过A/D转换的汽车加速度参数 ⑶是否系上安全带信号 4.2.2 各参数 1.压强参数： 因为由传感器测得的压强参数和人的体重成正比，我们先阐述人体重 和查表地址之间的关系，然后体重乘以一个比例系数就可得到压强和查表 地址。这里采用线性量化方法以十公斤为间隔将人按体重分为 16 种。 2.汽车加速度参数： 量化范围为 0—160g,通过线性量化为 16 个值 3.安全带系上与否的信号： 系了安全带时为低点平 0；未系时为高电平 1。 15 4.3 软件流程图 流程图的描述： 主程序负责对系统初始化、检验电源电压是否正常，并在人坐上座位 时通过读取压力传感器的得到人的体型参数用以设定 cpu 工作速度。在汽 车运行时通过查询循环不断读取新的电场成像器件输出的参数。 因为系统对碰撞时刻加速度读取的实时性要求很高，故采用外部中断 的方式控制。当汽车发生碰撞时，加速度传感器将输出与中断阀值电压进 行比较，并在输出大与中断阀值时激活外部中断。接下来的流程就如外部 中断流程图所示。 16 5.系统的低功耗设计和可靠性设计 5.1 低功耗设计 本方案所选 MCU 具有高速模式和低速模式两种。在汽车内无人时，芯 片处于低速运行状态，功耗低。当有人进入车内坐在座位时，压强传感 器将产生信号传给 MCU，使单片机由待机状态转化为高速工作状态。 5.2 可靠性设计 本方案所选 MCU 具有系统操作正常监视模块 COP，即看门狗，其功能 是在 MCU 工作不正常时，产生一个复位信号。防止单片机在不断查询乘 员位置∕姿势参数时，陷入死循环状态。 6.参考资料 1《智能汽车乘员约束系统的开发方法》，张君媛，公路交通科技 2《汽车智能乘员约束系统效能的仿真研究》，张君媛 林逸华 伟张歌， 设计·计算·研究 3 《Air Bag Crash Investigations》，John C. Kindelberger，NHTSA 4 《Assessment of Advanced Air Bag Technology and Less Aggressive Air Bag Designs Through Performance Testing》，Glen C. Rains Federal Office of Road Safety ，Australia Paper ，Number: 9%SS-O-06 5 Libratory Test Procedure For FMVSS 201 Rigid Pole Side Impact Test