基于ARM的汽车安全气囊系统设计

引言

　　随着汽车的普及和行驶速度的加快，交通事故及伤亡人数也在逐年上升。在发生汽车碰撞事故时，如何有效地保护司机和乘员生命的安全是迫切需要解决的问题。安全气囊作为与安全带配合使用的被动保护装置已经普及，成为汽车构件中保护乘员的主要装备之一。

　　气囊控制系统可分为机械式、模拟电子式和嵌入式3种类型。对于机械式和模拟电子式控制系统，由于硬件的局限，灵活性受到很大限制，应用日益减少。新一代的气囊控制系统均为带微控制器的嵌入式控制系统。嵌入式控制系统的控制算法由软件实现，极大地提高了系统的灵活性，并具有记录事故数据和与上位机进行通讯的功能。

　　1 ARMCortexM3内核与微控制器LM3S1138

　　ARM公司面向低成本应用领域研发出32位CortexM3内核处理器。该处理器有效地利用芯片空间，高度集成了外设，与内核组成了一个片上系统（SoC）。ARMCortexM3处理器结合了Thumb2指令32位哈佛微体系结构。Thumb2技术提高了代码密度，比32位编码减少了26%内存使用率，较16位编码提高了25%性能。通过降低时钟频率，提供更低的功耗，降低了研发成本，提高了企业效率。芯片上实现了Tail-Chaining中断技术，该技术把中断之间的延迟缩短到6个机器周期，在实际应用中可减少70%中断。

　　本系统微处理器选用TI公司基于ARMCortexM3内核的LM3S1138工业级微控制器。其工作温度范围是-40~85°C,并具有良好的电磁兼容特性，可应用于汽车电子领域。

　　2 系统工作原理与设计

　　2.1 系统的工作原理

      安全气囊控制系统主要由传感器、自检电路、触发电路、通讯电路和报警电路组成，如图1所示。

 

　　其工作原理为：上电后，系统进行自检，确定触发电路是否可以正常工作。若触发电路存在故障，报警电路进行声光报警，表明系统无法正常工作，通知驾驶员及时修理。当自检正常时，通过32位微处理器LM3S1138不断对加速度传感器MMA7260测得的信号进行采样。当汽车受到一定角度内的高速碰撞时，系统在经过算法分析确认之后，立即触发气囊包内的点火器，气囊迅速充满气体，阻挡驾驶员与汽车构件之间可能发生的碰撞，通过气囊上排气孔的节流阻尼作用来缓冲吸收驾驶员动能，从而达到保护驾驶员安全的目的。

　　2.2 系统的硬件设计

　　2.2.1 加速度测量电路

　　本文选择飞思卡尔公司的硅电容加速度传感器MMA7260。它具有信号放大调理、低通滤波和补偿功能。该器件的零加速度偏置、满量程范围和滤波特性均由制造厂家调定，不需要外接无源元件。由于该传感器制作工艺上的高集成度和可靠性，最大程度地降低了外界的干扰。MMA7260直接采用IC集成封装，可直接焊在PCB板上，调试方便。

　　LM3S1138处理器内置8通道10位ADC,采样速率可达1M/s,精度足够用于安全气囊。传感器测得加速度后，从相应的输出管脚输出电压值。通过LM3S1138处理器内置的ADC对电压值进行模数转换，再存入到软件设定的数组中。

　　加速度测量电路的硬件原理图如图2所示。

 

　　本系统只使用MMA7260三轴加速度传感的X和Z两轴来进行水平方向的碰撞判断。X轴方向测量汽车正面碰撞的加速度，Z轴方向测量汽车垂直方向的加速度。当汽车高速驶过沟、坎路面时，会导致传感器即使在没有发生碰撞的情况下，也产生较大信号。此信号叠加在低速碰撞的碰撞波形上，导致微控制器误认为高速碰撞，进而发生误启爆。鉴于此，当汽车Z轴（垂直方向）。产生较大的加速度时，无论X轴方向加速度如何，安全气囊均设计为不启爆。避免了因为汽车高速驶过地面路障时，安全气囊引爆所造成的不必要的损失，增强了路面抗干扰性。

　　2.2.2 点火触发电路

　　由于气囊气体发生器的点爆时需20mA电流脉冲。若直接用LM3S1138的I/O口输出高电平进行引爆，驱动过小，无法满足要求。系统选用电磁式继电器，在LM3S1138输出口的控制下可驱动大功率的负载。由于继电器会产生较明显的干扰，故在继电器周围加抗干扰电路的同时与光电耦合器配合使用，使得处理器与触发电路光电隔离。当碰撞发生时，安全气囊对身材过于矮小的成年人或儿童不但没有保护作用，引爆的巨大冲击力甚至会将其d死。为了更好地实现安全点火和智能化点火，系统在触发回路上设置一个座位压力感应装置。如果有成年人入座，则装置闭合，点火电路可正常工作。相反，如果装置断开，则表明无人入座或只有矮小成年人或儿童入座，触发电路不能形成回路。此时，即使汽车发生碰撞且算法发出点火信号，安全气囊也不爆破。这样，既防止在无人入座的状态下引爆气囊而造成的经济损失，又避免了气囊对矮小成年人和儿童造成的伤害。点火触发电路的原理图如图3所示。

 

　　2.3 系统的软件设计

     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。