基于ARM的汽车安全气囊控制系统设计

系统采用CortexM3内核处理器简化了软件开发环境。

针对LM3S1138等一系列的微控制器，TI官方免费提供了基于C语言（符合ANSIC标准）。的驱动库，它包含了众多固件函数库，对每一个外设都有相应例程，可以很方便地根据应用需要进行修改和移植。因此在软件编程时，无需汇编程序的软件管理，完全可以用驱动库C语言函数进行编程开发。开发应用程序时，利用驱动库的例程进行模块化设计，不仅程序编写方便，而且代码简洁且可读性强。对编写大型程序而言，采用驱动库能增强可靠性和安全性，同时降低维护成本。故本系统软件程序利用TI公司提供的驱动库例程进行模块化程序设计，把整个系统程序分为若干个小程序或模块，分别进行独立设计、编程和测试。最后将各模块构建一个完整的工程，完成应用程序设计。将整个工程分成了主程序、启动任务、定时采样任务和串行通信任务等4大模块。流程图如图4所示。


2.3.1 主程序模块

为增加系统的执行效率，实现多任务程序运行，系统通过移植，嵌入了μC/OS-Ⅱ操作系统。程序流程图中启动任务模块为嵌入μC/OS-Ⅱ操作系统时程序常用模式。

2.3.2 启动任务模块

在程序运行时，先执行启动任务，然后根据按键情况，执行通讯任务或定时采样任务。

2.3.3 定时采样模块

软件中实现每1s采样一次加速度并做A/D转换，存储在Flash中。若发生了撞车事故并符合算法的点火条件，记录当前数据存放地址，适时发出点火指令，启爆气囊，同时，再采样90个数据点。在分析现场时，碰撞前的90个数据和撞车后的90个数据可记录在LM3S1138内置的Flash中，作为黑匣子信息分析事故原因。

本系统选用加入垂直量的移动窗积分算法。由于篇幅所限，将在后续文章中论述。

2.3.4 串行通讯模块

事故发生后，PC机通过串行口读出气囊控制系统黑匣子中的数据，作为分析事故之用。开发人员可自行设置读取黑匣子水平方向加速度和垂直方向加速度数据的密码。

　　3 性能试验

目前汽车业内普遍采用的是5英寸（1英寸=254cm）30ms准则来确定安全气囊的最佳点火时刻。在汽车碰撞过程中，乘员相对于车体向前移动5英寸时刻的前30ms是气囊的最佳点火时刻。其依据是大多数已系好安全带的轿车乘员与转向盘之间的间距为12英寸，气囊充气后的厚度为约为7英寸，气囊从点爆到充满气体的时间为30ms。当气袋充满气体的时刻乘员恰好与气袋接触，气囊保护作用最佳。若气囊点火过早，当乘员接触到气囊时，气囊已泄气，起不到保护作用。

当气囊点火过晚，乘员由于惯性前移，气囊会把乘员打伤甚至致死。所以最佳点火时间是设计安全气囊控制器的关键。而本系统利用积分窗算法和ARMCortex处理器相结合，取得了较好的效果，试验结果和该准则基本吻合。

3.1 台车试验

台车试验在南昌大学科技学院汽车碰撞实验室进行，如图5所示。碰撞后，乘员身体前移的时刻比碰撞时刻滞后。滞后的大小主要取决于某款车型的吸能性能。由于台车上只有安全气囊控制系统，并无任何吸能装置，吸能几乎为零。故在本试验中，认为碰撞时刻即为乘员开始前移的时刻。台车在滑行轨道上由绳索牵引。时速由40km/h逐渐递增到60km/h。试验过程由高速摄像机录制，通过慢放录像，测得在碰撞时刻后气囊打开时刻。数据如表1所示。

试验数据表明，气囊打开时刻与最佳点火时刻偏差很小，在此偏差内不会发生气囊弹伤乘员或过早漏气的现象。
3.2 实车试验

在国家某机动车检测中心，用某型号国产轿车进行了实车试验。碰撞类型为正面碰撞。驾驶员座椅上放置了假人，且已系好安全带。碰撞时速为60km/h。碰撞对象为蜂窝铝。假人传感器数采系统采样频率为1kHz。通过前期试验可知，该款车型的吸能形变过程约持续50ms,故在实车试验前，对气囊控制系统的程序进行了相应修改。试验现场录像截图如图6所示。

通过现场放置的高速摄像机录像的回放，可知乘员在向前移动了30ms后，安全气囊准确爆破。实车试验表明，安全系统控制系统可较为准确地控制气囊的最佳点火时刻。

　　4 结语

由于安全气囊要求在极短的时间内对碰撞事故作出处理，因此要求控制系统能在瞬间完成实时处理和复杂运算的过程，即要求其具有较高的运算速度，时滞较小，以适应汽车安全气囊的实时控制要求。而一般的8位单片机编程简单，易于应用，但信号处理能力不强。本系统采用基于ARMCortexM3内核的32位高性能微控制器LM3S1138,嵌入μC/OS-Ⅱ操作系统，利用移动积分窗爆破算法，完成了系统设计。台车试验和实车试验表明，本系统可较为准确的控制气囊的最佳点火时刻，从而有效保护驾驶员的安全。系统软件设计部分使用了TI官方免费提供的驱动库，采用模块化设计，简化了开发过程。LM3S1138微控制器是片上系统（SoC）。集成了ADC、模拟比较器、flash存储器等外设资源并且价格低廉，故构建的系统集成度高、体积小、成本低。LM3S1138多达46个I/O口，增加了系统的可扩展性，可在此基础上研发多级智能型汽车安全气囊控制系统。