張　軼，謝文俊，吳樹東

基于DSP與FPGA的汽車安全氣囊測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張軼1，謝文俊1，吳樹東2

（1.空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安710038；2.西安電子科技大學(xué)，西安710071）

汽車安全氣囊測試系統(tǒng)是一套在常溫環(huán)境下對汽車安全氣囊點(diǎn)火試驗(yàn)、數(shù)據(jù)采集及分析的測試系統(tǒng)。為滿足高性能火工品點(diǎn)火電流上升速率（1A/us)的要求，采用DSP和FPGA設(shè)計(jì)點(diǎn)火控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，該系統(tǒng)具有同時(shí)完成6通道模擬信號（壓力、應(yīng)變、電流、電壓等）高速采集及數(shù)據(jù)分析的功能，從而滿足系統(tǒng)高速多通道采集和快速點(diǎn)火的要求。

DSP；FPGA；汽車安全氣囊；點(diǎn)火控制

0　引言

汽車安全氣囊測試系統(tǒng)是一套用于檢測安全氣囊在工作過程中各項(xiàng)指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)的設(shè)備，通過檢測這些指標(biāo)來判定氣囊的安全性。由于點(diǎn)火是一個(gè)瞬態(tài)過程，時(shí)間大約在30~40ms，因此若要清晰地復(fù)現(xiàn)在點(diǎn)火過程中的點(diǎn)火電流、點(diǎn)火電壓以及產(chǎn)生的壓力、應(yīng)變等參數(shù)就需要采用較高的采樣率。目前汽車安全氣囊點(diǎn)火系統(tǒng)普遍采用可控的輸出電流或電壓進(jìn)行火工品點(diǎn)火，點(diǎn)火電流的上升速率一般是1A/us，無法滿足高性能火工產(chǎn)品的試驗(yàn)需求。本文提出一種基于點(diǎn)火控制器的汽車安全氣囊點(diǎn)火控制系統(tǒng)，點(diǎn)火控制器采用FPGA及DSP對點(diǎn)火電流進(jìn)行反饋控制，滿足了系統(tǒng)點(diǎn)火電流上升速率的要求。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

火工品（簡稱負(fù)載）引爆后，產(chǎn)生的沖擊壓力會(huì)使受壓物品產(chǎn)生形變，因此需安裝兩種應(yīng)變傳感器，通過分析壓力及應(yīng)變傳感器的數(shù)據(jù)來判定火工品的性能。

壓力和應(yīng)變傳感器信號經(jīng)過兩級放大器進(jìn)行調(diào)理、放大和濾波后進(jìn)入測試適配箱，最后輸入到同步采集卡中。系統(tǒng)軟件包含通道校準(zhǔn)模塊，可以根據(jù)通道校準(zhǔn)模塊提供的物理量與電量的關(guān)系，將所采集的電壓信號換算成壓力值，并以曲線的形式顯示在界面中，此外系統(tǒng)還具有CFC濾波處理的功能。系統(tǒng)組成原理如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)組成原理

測試時(shí)首先由上位機(jī)發(fā)出檢測指令，通過RS-232總線對點(diǎn)火控制器發(fā)出檢測產(chǎn)品電阻值的指令，點(diǎn)火控制器收到指令后由DSP通過繼電器對電路進(jìn)行切換，通過四線制的PXI電阻測量卡精確測量負(fù)載的電阻值。在完成電阻測量后，由上位機(jī)通過RS-232總線對點(diǎn)火電源同時(shí)發(fā)出點(diǎn)火命令。

在數(shù)據(jù)采集過程中被測量的壓力信號通過電荷放大器轉(zhuǎn)化為電壓量，應(yīng)變力通過應(yīng)變放大器轉(zhuǎn)變成了電壓信號。電荷放大器及應(yīng)變放大器均可以進(jìn)行濾波及量程的選擇，可對傳感器信號進(jìn)行調(diào)理以滿足系統(tǒng)對測試精度的要求。調(diào)理后的信號通過測試適配箱輸入數(shù)據(jù)采集卡中。

對采集到的數(shù)據(jù)利用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)分段處理：

其中：

Yls為電壓量信號；

p為所換算壓力值；

a為截距；

b為斜率。

a、b的計(jì)算公式如下，其中yi、pi為臺(tái)階壓力值及其所對應(yīng)的電壓值，具體詳見壓力傳感器靜態(tài)檢定規(guī)程。

式中：

yi：表示為電壓量；

pi：表示為壓力。

在傳感器的校準(zhǔn)過程中，臺(tái)階值的跨度較大，需要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行反標(biāo)定才能保證數(shù)據(jù)的正確性，綜合考慮采集繪圖時(shí)間、數(shù)據(jù)的一致性及傳感器性能指標(biāo)的要求，這里選擇分7段處理采集數(shù)據(jù)同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行CFC濾波處理，最后將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到上位機(jī)中。

2　主要硬件設(shè)計(jì)

2.1點(diǎn)火控制器組成及原理

點(diǎn)火控制器是本系統(tǒng)的核心部分，由儲(chǔ)能回路、放電控制回路、電流檢測回路、主控單元及安全保護(hù)電路5部分組成。點(diǎn)火控制器采用了高速電容器儲(chǔ)能、瞬間放電、FPGA脈沖時(shí)間門精確控制以及高速恒流閉環(huán)調(diào)節(jié)技術(shù)等，可以完全滿足點(diǎn)火電流上升率的要求，通過DSP負(fù)反饋調(diào)整技術(shù)避免了電流過沖的產(chǎn)生，縮短了穩(wěn)流調(diào)整的時(shí)間?？刂茊卧诵挠蒁SP處理器和FPGA精確時(shí)間門組成，外圍電路包括AD和DA轉(zhuǎn)換，主要完成對點(diǎn)火參數(shù)的裝訂和精確控制，并在點(diǎn)火啟動(dòng)后通過比較采集到的電流值和設(shè)定值，從而快速地控制點(diǎn)火電源的恒流反饋，使點(diǎn)火電流快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)。點(diǎn)火控制原理示意圖如圖2所示。

圖2　點(diǎn)火控制器硬件原理圖

點(diǎn)火控制時(shí)，首先由DSP控制單元根據(jù)用戶設(shè)置的點(diǎn)火時(shí)序和點(diǎn)火脈寬，控制FPGA自動(dòng)輸出一個(gè)精確的點(diǎn)火脈沖時(shí)間門信號，該信號經(jīng)過限流電阻進(jìn)入光耦輸入端，通過選擇光耦的導(dǎo)通或斷開來控制晶閘管的門級，從而實(shí)現(xiàn)了對點(diǎn)火回路接通及斷開的控制。在接通點(diǎn)火回路后，通過電流傳感器來檢測電流的大小，并利用DSP處理器完成對恒流閉環(huán)的調(diào)節(jié)，從而滿足了恒流穩(wěn)態(tài)調(diào)整控制的要求。設(shè)計(jì)中采用大功率MOSFET管，驅(qū)動(dòng)電路高速光耦，其最大傳輸延遲為0.5us，共模抑制比變化速率15kv/us。

2.2儲(chǔ)能回路設(shè)計(jì)

為補(bǔ)償點(diǎn)火電源暫態(tài)性及保證點(diǎn)火電流的上升速率點(diǎn)火控制器設(shè)計(jì)儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)對外提供能量，其采用大容量、高速電容器的儲(chǔ)能可滿足點(diǎn)火電流及功率需求。若點(diǎn)火電流上升速率di/dt=1A/us，電感理論計(jì)算公式如下：

由（5）（6）（7）三式可得L=10uH。

2.3點(diǎn)火控制回路設(shè)計(jì)

點(diǎn)火控制回路采用電子開關(guān)控制，如圖3所示，其門控信號由光耦輸出控制。當(dāng)DSP處理器接收到點(diǎn)火參數(shù)及指令后，控制FPGA輸出一個(gè)精確的時(shí)間門控制脈沖，輸出到光耦輸入端，控制回路放電，同時(shí)將時(shí)間門控制信號送到上位主機(jī)作數(shù)據(jù)采集啟動(dòng)標(biāo)志信號。

2.4電流檢測回路設(shè)計(jì)

為保證點(diǎn)火電流上升速率的要求，點(diǎn)火電流采用電流反饋環(huán)節(jié)控制，因此需采用高速的DSP實(shí)現(xiàn)反饋算法，同時(shí)為滿足高精度的點(diǎn)火延遲要求，點(diǎn)火延遲精度在0.01ms，故采用FPGA精確時(shí)間控制。

電流檢測電路采用高精度、高速率的電流互感器采樣，將負(fù)載電流轉(zhuǎn)化成電壓供DSP處理器AD采樣轉(zhuǎn)換，根據(jù)采集到的電流值計(jì)算出穩(wěn)態(tài)恒流誤差，利用點(diǎn)火電源外反饋控制電壓信號從而構(gòu)成電流閉環(huán)調(diào)節(jié)。

2.5主控單元設(shè)計(jì)

控制單元核心由DSP處理器和FPGA精確時(shí)間門組成，外圍包括A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換電路，主要完成點(diǎn)火參數(shù)裝訂和精確控制，并在點(diǎn)火啟動(dòng)后通過將采集到的電流值和設(shè)定值比較，進(jìn)而控制點(diǎn)火電源恒流反饋，使點(diǎn)火電流快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)恒流。

2.6系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)

為確保點(diǎn)火控制器在正常連接狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生誤點(diǎn)火，點(diǎn)火控制單元需要實(shí)時(shí)檢測門禁開關(guān)和門鎖開關(guān)，同時(shí)軟件中還需增加點(diǎn)火回路的監(jiān)控功能，在點(diǎn)火過程中，當(dāng)任意一個(gè)點(diǎn)火條件不滿足時(shí)，軟件就會(huì)自動(dòng)輸出控制指令，控制點(diǎn)火電源緊急停止輸出。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

從數(shù)據(jù)流分析來看，系統(tǒng)軟件在運(yùn)行時(shí)需要同時(shí)執(zhí)行試驗(yàn)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及顯示等多個(gè)任務(wù)。為保證軟件系統(tǒng)的良好運(yùn)行，整個(gè)軟件需要設(shè)計(jì)為多線程運(yùn)行。

圖3　軟件設(shè)計(jì)總圖

軟件啟動(dòng)后由主控程序調(diào)用自檢模塊對測試系統(tǒng)進(jìn)行自檢，以確保測試系統(tǒng)正常運(yùn)行。主控程序先發(fā)送握手指令進(jìn)行握手交聯(lián)，再由用戶選擇點(diǎn)火操作，調(diào)用點(diǎn)火功能模塊對被測對象進(jìn)行點(diǎn)火同時(shí)啟動(dòng)采集功能模塊采集數(shù)據(jù)，最后由主控程序調(diào)用數(shù)據(jù)模塊對采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

4　產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)條件如下：

點(diǎn)火電流設(shè)置：1.2A；

點(diǎn)火延遲：50.0ms；

通電時(shí)限：2.0ms；

采樣率：1M。

用戶火工品經(jīng)過試驗(yàn)后，得到點(diǎn)火電流參數(shù)如圖4點(diǎn)火電流上升曲線所示，由圖中可以看出，點(diǎn)火電流滿足點(diǎn)火電流上升速率（1A/us）的要求。

圖4　點(diǎn)火電流上升曲線圖

5　結(jié)語

基于DSP與FPGA的汽車安全氣囊測試系統(tǒng)是一套應(yīng)用于批量安裝或生產(chǎn)安全氣囊的大型汽車廠的系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有檢測速度快、采樣率高、點(diǎn)火電流上升率快等特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地反映出汽車安全氣囊在應(yīng)對突發(fā)狀況時(shí)氣囊工作時(shí)的各項(xiàng)指標(biāo)，從而提高安全氣囊的可靠性。

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謝文俊，山西聞喜人，博士，教授，研究方向?yàn)闇y控技術(shù)

吳樹東，河南濮陽人，博士，高級工程師，研究方向?yàn)闇y控技術(shù)

DSP;FPGA;Automotive Airbags;Fire Control

Design of Automotive Airbag Test System Based on DSP and FPGA

ZHANG Yi1，XIE Wen-jun1，WU Shu-dong2

（1.College of Aeronautics and Astronautics Engineering，Air Force University of Engineering，Xi'an 710038; 2.Xi'an University of Electronic Science and Technology，Xi'an 710071）

Test system for automotive airbags based on DSP and FPGA is a set of complete ignition at room temperature environment for data acquisition and analysis test of automobile safety airbag.The system has the ignition control and at the same time to complete 6 channels analog signals(pressure,current,and voltage acquisition and data analysis functions).Due to the rising rate ignition current requirements in 1A/us,so the ignition controller uses DSP and FPGA to real-time control,so as to meet the real-time requirements.

1007-1423（2015）12-0062-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.12.014

張軼（1989-），男，湖北荊州人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)闇y控技術(shù)

2015-04-13

2015-04-16