汽车智能安全系统

引言
    安全带和安全气囊是汽车碰撞事故中最有效的保护设施。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，安全气囊系统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。按照美国的标准，到了2006年，所有的汽车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。
    Freescale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。该公司最新开发的电场成像器件MC33794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，优化了传感器安排，重新设计了一个智能安全系统。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。

设计概述 
    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。通过更新FLASH内控制表格内的数据调整相应的控制变量，该系统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

    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。
系统应具备的功能
智能气囊开关控制
    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，故当乘员为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）。
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。
安全带预调整。
    在发生碰撞时，汽车安全智能系统通过采样MC33794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，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。
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。本方案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。
    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)，进而查表得到气囊控制信号。
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。
图1  由电极电压的乘员姿势示意图
图2  车载智能安全系统组成

硬件描述
车载智能安全系统的硬件框图如图3。
图3  车载智能安全系统电路框图
MCU模块
系统微处理器选择MC68HC908GZ16，它的框图如图4。
* 图4  68HC908GZ16结构框图及特点
* 选择这块芯片基于以下理由：
* 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。
* 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1路、加速度传  感2路、电场成像器件5路）AD转换口使与传感器的联机变得容易。
* 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。
* 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。
* 模拟量采集模块
* 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。
MC33794的工作原理如图5所示。正弦波生成器与外接负载电阻配合产生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，即随电容增加检测的电压减小。
图5 MC33794工作原理
MC33794通过对安装在车座位上的9个电极电压大小的检测可以得出驾驶乘员的位置/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。
图6  电极位置与压力传感器的位置图
压强传感器  MPXV5050DP (Freescale)
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：
压力范围为50kpa，同时考虑冗余与精确度因素。
集成的5000系列不需要放大，非常容易与单片机相连
片上自带进量程、偏移校准电路与温度补偿电路。
加速度传感器
加速度传感器 MMA1200D (Freescale)
   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。
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。

软件描述
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。对于本系统而言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出电压曲线相比较，得到OOP的程度。由OOP的程度决定安全带预收紧的程度。
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）。
决定查表地址的输入信号有3个：
经过A/D转换的压强参数。
经过A/D转换的汽车加速度参数
是否系上安全带信号
图7、8为系统软件流程图。
图7  主程序流程图
图8  外部中断程序流程图