0 引言

    在安全氣囊控制模塊（ACU）的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，加速度傳感器是安全氣囊起爆的輸入信號(hào)，但由于這類(lèi)加速度傳感器都是IC封裝，測(cè)試時(shí)只能通過(guò)實(shí)際的碰撞驗(yàn)證ACU的起爆性能。而受實(shí)車(chē)碰撞的成本高、周期長(zhǎng)、操作復(fù)雜等因素制約， 使得利用最終的實(shí)車(chē)碰撞來(lái)標(biāo)定ACU算法成為不可能。同時(shí)，加速度傳感器在生成制造過(guò)程中同樣有很多失效形式，而在加速度傳感器上又無(wú)法模擬其內(nèi)部故障，因此如何驗(yàn)證ACU在其失效時(shí)是否能提醒駕駛員及時(shí)維修/更換產(chǎn)品，避免功能失效導(dǎo)致的安全問(wèn)題同樣是重中之重。

    鑒于以上原因，針對(duì)加速度傳感器的硬件仿真是解決上述問(wèn)題的唯一途徑。在硬件仿真測(cè)試過(guò)程中，由于碰撞信號(hào)、加速度數(shù)據(jù)、寄存器狀態(tài)等都是可配置的，因此具有操作簡(jiǎn)單、一致性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

    本文以飛思卡爾的PSI5加速度傳感器MMA5124LWR2為例，利用單片機(jī)模擬加速度信號(hào)與ACU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。配置文件(包含傳感器初始化信息、寄存器信息、是否模擬故障等)及加速度信息通過(guò)CAN接口預(yù)植入到單片機(jī)內(nèi)部，通過(guò)觸發(fā)方式模擬碰撞產(chǎn)生，發(fā)送碰撞時(shí)的加速度信號(hào)。采用此種方式可實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)通信以及碰撞模擬、故障注入等功能，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)車(chē)驗(yàn)證來(lái)標(biāo)定算法、驗(yàn)證軟件魯棒性等功能。

1 PSI5通信簡(jiǎn)介

    PSI5（Peripheral Sensor Interface）最早由博世、奧托利夫、大陸集團(tuán)成立的“PSI5委員會(huì)”聯(lián)合開(kāi)發(fā)，專(zhuān)門(mén)用于安全氣囊加速度傳感器的通信。由于PSI5是已經(jīng)在數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的安全氣囊控制系統(tǒng)中驗(yàn)證的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，其低成本易應(yīng)用的技術(shù)特點(diǎn)使PSI5也適用于其他的汽車(chē)傳感器。

    PSI5采用兩線(xiàn)供電的傳感器和數(shù)據(jù)傳輸。安全氣囊控制模塊給傳感器提供電壓，從傳感器到ACU的數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)電源線(xiàn)的電流調(diào)制進(jìn)行傳輸。

    數(shù)據(jù)傳輸采用Manchester編碼，電流下降表示邏輯“0”，電流上升表示邏輯“1”。每一幀數(shù)據(jù)由2 bit起始位、10～20 bit數(shù)據(jù)位、1 bit奇偶校驗(yàn)位或3 bit CRC校驗(yàn)位組成[1]。單幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)介紹

    硬件在環(huán)仿真是指被仿真環(huán)境中存在實(shí)物硬件的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)。仿真環(huán)境不僅需要數(shù)據(jù)輸入、輸出測(cè)試，還要進(jìn)行信號(hào)模擬、故障注入、時(shí)序控制等復(fù)雜工作。信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)源無(wú)法滿(mǎn)足需求，而在實(shí)際產(chǎn)品上測(cè)試存在費(fèi)用高、時(shí)間長(zhǎng)、條件不確定等因素，導(dǎo)致實(shí)際無(wú)法執(zhí)行測(cè)試。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)始使用硬件在環(huán)仿真技術(shù)進(jìn)行控制系統(tǒng)軟硬件的開(kāi)發(fā)和測(cè)試^[2-4]。

    在A(yíng)CU的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，加速度傳感器作為氣囊起爆與否的輸入信號(hào)，任何差錯(cuò)都可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。對(duì)加速度傳感器進(jìn)行仿真，可以模擬整車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)，降低實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，同時(shí)可在軟件開(kāi)發(fā)期間進(jìn)行故障注入測(cè)試，有效地縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，控制產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)。

3 硬件設(shè)計(jì)

    (1)微控制器單元

    DSPIC33FJ128GP706是Microchip公司推出的高性能16位數(shù)字信號(hào)控制器，帶有128 KB的Flash存儲(chǔ)器和16 KB的在片RAM，可存儲(chǔ)超過(guò)1 s的模擬加速度數(shù)據(jù)；DSP的DMA指令可實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)處理，節(jié)省測(cè)試時(shí)間；利用其高速CAN接口可實(shí)現(xiàn)外部快速配置；片上AD接口用于傳感器供電電壓的檢測(cè)?；谶@些特殊性能，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)需求。

    (2)上位機(jī)接口

    系統(tǒng)采用高速CAN連接上位機(jī)，波特率為500 K，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度8 B。假設(shè)待傳輸?shù)募铀俣葦?shù)據(jù)最大為2 KB，數(shù)據(jù)幀發(fā)送周期為10 ms，則發(fā)送所有數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間約為2.56 s，在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。同時(shí)在仿真?zhèn)鞲衅鬟\(yùn)行時(shí)，上位機(jī)可通過(guò)CAN接口進(jìn)行故障注入的設(shè)置。

    (3)AD接口單元

    使用MCU自帶AD接口，實(shí)時(shí)監(jiān)控ECU提供的電壓，當(dāng)電壓大于5.5 V時(shí)，表示系統(tǒng)已經(jīng)為模擬傳感器供電，開(kāi)始進(jìn)入傳感器初始化階段。

    (4)外部觸發(fā)

    通過(guò)外部觸發(fā)功能，用于模擬碰撞的零時(shí)刻。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)翻轉(zhuǎn)時(shí)，表示車(chē)輛發(fā)生了猛烈的撞擊，此時(shí)將預(yù)置在模擬器中的加速度數(shù)據(jù)通過(guò)PSI5接口發(fā)送給ACU，就可以實(shí)現(xiàn)碰撞的模擬。這種碰撞持續(xù)時(shí)間短，一般只有幾百毫秒，利用單片機(jī)的RAM存儲(chǔ)碰撞加速度信息可以實(shí)現(xiàn)快速讀取。從碰撞的產(chǎn)生到發(fā)送碰撞加速度，最大延時(shí)為250 μs（即一個(gè)PSI5發(fā)送周期）。

    (5)ACU連接單元

    由于PSI5通信數(shù)據(jù)由電流信號(hào)以Manchester編碼方式進(jìn)行傳輸，MCU輸出信號(hào)為電壓信號(hào)，無(wú)法直接被ACU識(shí)別，因此需要將MCU輸出信號(hào)作為控制端，當(dāng)電平變化時(shí)，對(duì)應(yīng)負(fù)載不同，以達(dá)到電流變化的目的。

    與ACU的連接，可以使用I/O口來(lái)調(diào)整傳感器電源線(xiàn)的電流，但I(xiàn)/O口對(duì)MCU資源占用太高，穩(wěn)定性差，因此采用MCU的SPI接口，工作在主模式，所用的信號(hào)線(xiàn)為SCK、MOSI。

    從PSI5的數(shù)據(jù)幀格式來(lái)看，PSI5每一位都對(duì)應(yīng)高低兩個(gè)電平的變化才能實(shí)現(xiàn)，因此SPI速率應(yīng)為PSI5通信速率的2倍。由于MOSI的信號(hào)電平在空閑狀態(tài)時(shí)不可控，因此增加了4個(gè)串入串出的8位移位寄存器SN74LV166AD，用SPI的SCK信號(hào)線(xiàn)來(lái)驅(qū)動(dòng)移位寄存器，實(shí)現(xiàn)32位SPI信號(hào)的發(fā)送。

    ACU連接部分電路如圖2所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

    待模擬的MMA5124LWR2的PIS5通信方式為125 kb/s異步通信，加速度數(shù)據(jù)輸出速率為250 μs，上電初始化完成后，持續(xù)發(fā)送加速度數(shù)據(jù)給ACU^[5]。初始化和發(fā)送加速度數(shù)據(jù)都是通過(guò)PSI5通信完成。傳感器初始化執(zhí)行過(guò)程如圖3所示^[6]。

    從芯片的說(shuō)明手冊(cè)可以得知，該芯片在上電后和ACU的FILC芯片只有PSI5通信數(shù)據(jù)的交互，因此若要模擬其功能，只需要在上電后持續(xù)發(fā)送指定的PSI5數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)其基本功能的仿真。在仿真環(huán)境中，ACU的FLIC芯片提供傳感器供電電壓，仿真器供電由外部電源控制。仿真器上電后，首先通過(guò)CAN消息指定待發(fā)的PSI5數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到FLIC芯片提供傳感器電壓后，將預(yù)設(shè)的PSI5數(shù)據(jù)發(fā)出即可。

    需要注意的是，由于移位寄存器的鎖存特性，每次發(fā)送的PSI5數(shù)據(jù)會(huì)在第二個(gè)32位SCK下發(fā)送。根據(jù)這一硬件特性，在傳感器上電后，除了需要清楚移位寄存器的數(shù)據(jù)外，還需要預(yù)發(fā)第一幀SPI數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)诙琒PI數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，第一幀數(shù)據(jù)才從移位寄存器移出。

    在作硬件在環(huán)時(shí)，除了正確模擬傳感器工作之外，還需要設(shè)置模擬傳感器的各種工作情況，如碰撞時(shí)加速度信號(hào)以及各種錯(cuò)誤情況和報(bào)告寄存器值錯(cuò)誤、通信錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等。在該應(yīng)用項(xiàng)目中，只需要通過(guò)DSPIC33FJ128GP706的CAN通信配置相應(yīng)軟件參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)，由于CAN的速率高，且DSP存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可以采用DMA方式傳輸，因此可以實(shí)現(xiàn)快速配置。

    軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4所示。

5 系統(tǒng)驗(yàn)證

    仿真測(cè)試時(shí)，需要將原有加速度芯片移除，用仿真設(shè)備連接至ACU電路中，同時(shí)ACU需要具備診斷功能，可以檢測(cè)到傳感器不通信的故障。

    對(duì)硬件在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)的驗(yàn)證主要從兩方面入手：(1)如果脫離硬件仿真平臺(tái)后，被測(cè)產(chǎn)品無(wú)法正確運(yùn)行，當(dāng)被測(cè)產(chǎn)品運(yùn)行在仿真環(huán)境下，仿真信號(hào)和實(shí)際信號(hào)匹配，應(yīng)能做到正確無(wú)故障運(yùn)行；(2)執(zhí)行仿真測(cè)試時(shí)，導(dǎo)入仿真數(shù)據(jù)，被測(cè)產(chǎn)品能夠按照預(yù)期目標(biāo)執(zhí)行，同時(shí)仿真數(shù)據(jù)與ACU監(jiān)控到的加速度數(shù)據(jù)要保持一致。

    仿真信號(hào)的示波器截圖如圖5所示。從該圖中可以看出，PSI5信號(hào)非常完整，并能被ACU正常識(shí)別，同時(shí)可以方便地通過(guò)控制SPI信號(hào)模擬各種信號(hào)故障，如起始位錯(cuò)誤、校驗(yàn)位錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等，從而驗(yàn)證安全氣囊控制模塊的魯棒性。

    在A(yíng)CU算法開(kāi)發(fā)過(guò)程中，該模擬器可模擬實(shí)際碰撞時(shí)產(chǎn)生的加速度信號(hào)，使ACU認(rèn)為處于碰撞環(huán)境中，從而驗(yàn)證算法的開(kāi)發(fā)，為后續(xù)碰撞實(shí)驗(yàn)節(jié)約大量的寶貴資源。

6 結(jié)論

    本模擬傳感器實(shí)現(xiàn)了加速度傳感器的基本功能，并可實(shí)現(xiàn)故障注入、碰撞模擬等特殊功能。從實(shí)際仿真效果來(lái)看，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并且運(yùn)行平穩(wěn)，目前已成功應(yīng)用于高田ACU的研發(fā)和測(cè)試中。

參考文獻(xiàn)

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