ot;display: block;">安全系統(tǒng)在汽車中越來越受人關(guān)注,安全氣囊系統(tǒng)作為一種被動保護裝置也是發(fā)展迅速,目前國內(nèi)多數(shù)新車型都有安全氣囊系統(tǒng),而且整個系統(tǒng)中氣囊的數(shù)目也越來越多,結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。安全氣囊基本原理是在汽車碰撞中,通過傳感器檢測到碰撞信號后,使氣體迅速膨脹,氣囊會像軟枕頭一樣在碰撞中起到緩沖作,保護乘客的身體。安全氣囊最早是被應(yīng)用在飛機上,在八十年代,第一個商用的安全氣囊出現(xiàn)在了汽車上。經(jīng)統(tǒng)計表明,在正面碰撞中,安全氣囊可以降低30%的死亡率。

經(jīng)過二十多年的發(fā)展,一些中高端汽車中安全氣囊已經(jīng)遠遠不止駕駛員和副駕駛雙氣囊以及相應(yīng)位置的安全帶預(yù)緊裝置,側(cè)氣囊,后排乘客氣囊,膝部氣囊,簾式氣囊等等,通常會有八氣囊、十二氣囊甚至更多；氣囊系統(tǒng)的功能也越來越復(fù)雜,常見的有如發(fā)現(xiàn)駕駛員未系安全帶或前排副駕駛座位上有乘客,而乘客并未系安全帶,則發(fā)出提醒；一般的功能還有占位檢測,即通過傳感器判斷某個座位上是否有乘客,當(dāng)發(fā)生碰撞時,無乘客的座位相應(yīng)的氣囊則不會彈出；有些氣囊系統(tǒng)甚至能通過測量座位上乘客體重來相應(yīng)調(diào)整氣囊彈出的壓力,為乘客提供更好的保護；同樣,氣囊的彈出算法也是越來越復(fù)雜,依據(jù)碰撞的類型會有不同的氣囊彈出,而且彈出時間也不同。這些不同的碰撞可能是正面碰撞,側(cè)面碰撞或角碰撞甚至翻滾。當(dāng)然感應(yīng)這些不同的碰撞需要不同方向的、位于不同位置的加速度傳感器或壓力傳感器,將來可能還會用轉(zhuǎn)角傳感器來采集信號,然后通過ECU(電控單元)計算判斷后彈開相應(yīng)的氣囊。系統(tǒng)功能越來越復(fù)雜,這使得整個系統(tǒng)的傳感器數(shù)量變得可觀,這些傳感器分布在汽車的四周,根據(jù)傳感器和ECU連接的不同的方式,主要分為集中式控制架構(gòu)和分布式控制架構(gòu)。

系統(tǒng)控制架構(gòu)

集中式控制架構(gòu)是指分布在車身四周的傳感器和ECU采用點對點連接(如圖1),這種結(jié)構(gòu)非常適合中低復(fù)雜程度的氣囊系統(tǒng),ECU直接連接遠端的傳感器,成本較低,,元器件個數(shù)較少,供電簡單,程序控制起來也較容易。但對于較復(fù)雜系統(tǒng)來說,這種結(jié)構(gòu)會帶來傳感器接口復(fù)雜,布線成本增加,無法擴展等問題。分布式控制架構(gòu)是指通過專用總線將周邊傳感器連接起來(如圖2),它的優(yōu)點是:對于一個較復(fù)雜系統(tǒng),可以減少布線,更改系統(tǒng)只需要改變節(jié)點的配置和數(shù)量,方便擴展。例如:通過一條總線將2個傳感器串起來工作,而增加成3個傳感器僅需在總線上多串一個節(jié)點,這使系統(tǒng)構(gòu)建和變更起來更加靈活。同時也有不少開放的總線協(xié)議和集成芯片支持這種結(jié)構(gòu)如:PSI5、DSI BUS等,這使使用起來很方便。

圖1:安全氣囊集中式控制架構(gòu)。

圖2:安全氣囊分布式控制架構(gòu)。

不同安全氣囊系統(tǒng)中,可能會有很多種不同器件被連在網(wǎng)絡(luò)中,有時,這些器件可能是由供應(yīng)商直接提供給車廠進行安裝的。因此,上電時,系統(tǒng)自動給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分配地址的功能會有效降低氣囊安裝成本；而且,要通過簡單的方法就可識別遠程的器件,這些器件需是智能的和可編程的；同時,安全氣囊系統(tǒng)對可靠性要求很高,當(dāng)線束短路,開路以及信號傳輸錯誤等出現(xiàn)時,系統(tǒng)要求不能被損壞或完全癱瘓；并且系統(tǒng)需具有故障自檢功能,并有良好的EMC特性,`DSI BUS(Distributed System Interface BUS),其2.0版本又被稱為DBUS,是由天合(TRW)公司和飛思卡爾公司共同建立,作為一種針對于安全氣囊系統(tǒng)開發(fā)的公開的總線協(xié)議,目前,已經(jīng)被許多車廠和零部件供應(yīng)商采用。它只需兩根線就可實現(xiàn)較低成本,高可靠性,適合的通訊速度(最高可達到150Kbps),這而且兩根通訊線在總線空閑時還為Slave節(jié)點提供供電,并且Slave節(jié)點無需振蕩器為通訊提供時鐘。當(dāng)系統(tǒng)以菊花鏈方式或并聯(lián)方式連接,DSI BUS既實現(xiàn)了分布式控制安全氣囊系統(tǒng),當(dāng)DSI BUS每通道只連接一個結(jié)點,也可用于實現(xiàn)集中式控制安全氣囊結(jié)構(gòu)。

在DSI BUS中,通過循環(huán)冗余校驗(CRC)和遠程自我診斷保證了系統(tǒng)的高可靠性。由于主節(jié)點發(fā)出命令,傳遞總線能量,從節(jié)點命令響應(yīng)都在同一時間完成,這樣就在一定的通訊速度下,實現(xiàn)了高信號密度。

圖3:DSI BUS連接方式。

DSI BUS的物理層

整個網(wǎng)絡(luò)為兩線制,Slave節(jié)點和總線可以用菊花鏈或并聯(lián)方式相聯(lián)。當(dāng)Slave節(jié)點以菊花鏈形式連接,總線上電時需逐一配置Slave地址。如以并聯(lián)方式連接,Slave節(jié)點則需要事先配置好地址再與總線相連。每個DSI BUS最多可以接15個Slave節(jié)點,當(dāng)整個系統(tǒng)較復(fù)雜時可使用多條DSI BUS總線。

DSI BUS的編碼方式

在DSI BUS中,數(shù)據(jù)從Master節(jié)點到Slave節(jié)點使用電壓傳遞模式,數(shù)據(jù)從Slave節(jié)點到Master節(jié)點使用電流傳遞模式。DSI BUS的電壓傳遞模式編碼比較獨特,將每位的傳遞時間分為三份,每一位的前2/3為低電平,后1/3為高電平表邏輯0,每一位的前1/3為低電平,后2/3為高電平表邏輯1。例:圖4為通過DSI BUS發(fā)送了短指令字0x18。

DSI BUS的數(shù)據(jù)鏈路層

DSI BUS中每幀數(shù)據(jù)為一條命令,數(shù)據(jù)為全雙工,既Master發(fā)出命令,同時,Slave響應(yīng),Slave對當(dāng)前命令的響應(yīng)會在下條命令發(fā)出時返回。命令分長字命令和短字命令兩種,長命令字有效數(shù)據(jù)為16位和0-8位CRC校驗,短命令字為8-15位有效數(shù)據(jù)和0-8位CRC校驗。圖4為1條短命令字,8位的有效數(shù)據(jù)為0x18和4位的CRC校驗碼。

DSI BUS的地址分配

DSI BUS中,Slave節(jié)點地址共4位二進制碼,從0001到1111,因此,每個DSI BUS最多接15個Slave節(jié)點,當(dāng)命令字中地址為0000時,為向所有Slave節(jié)點同時發(fā)出命令。

對Slave節(jié)點分配地址的方式有兩種,一種是系統(tǒng)中所有節(jié)點接成菊花鏈形式,當(dāng)系統(tǒng)上電后,Master逐一對Slave分配地址,這種稱為可編程方式(Programmable)。另一種是預(yù)編程方式(PRE Programmed),既從節(jié)點器件在接入DSI BUS前預(yù)先編好地址。在支持DSI BUS的Slave器件中,有一個作用于電源和信號線的開關(guān),對于預(yù)編程的器件,上電時器件的開關(guān)是斷開的,因為第一個Slave的開關(guān)是斷開的,所以總線上數(shù)據(jù)只能到達第一個Slave器件,當(dāng)Master發(fā)出初始化命令初始化第一個地址并閉合開關(guān)后,總線數(shù)據(jù)便能到達第二個Slave器件,再同樣對第二個Slave節(jié)點初始化。以此類推,直至每一個Slave器件都被設(shè)定地址后,總線上Slave節(jié)點才開始工作。

DSI BUS的命令

不論是長字命令還是短字命令,DSI BUS的命令字只有4位,因此共有0000-1111共16條命令,無論節(jié)點上的設(shè)備的是傳感器還是開關(guān)量輸入或輸出,總線都是通過這些命令來定義或控制這些節(jié)點。所有總線上的節(jié)點(Slave內(nèi)部開關(guān)閉合情況下)都會對這些命令解碼并響應(yīng)相應(yīng)的命令。

如0000命令既初始化命令,它用于為可編程方式的節(jié)點設(shè)定地址,同時還可以通過這條指令控制內(nèi)部有開關(guān)的從節(jié)點內(nèi)的開關(guān)打開或閉合。

傳感器信號和如安全帶是否扣好等一些開關(guān)量信號都可以通過DSI BUS傳遞給ECU板,同時ECU板還可以通過DSI BUS傳遞一些控制信號,如實現(xiàn)傳感器的自檢測功能的操作,點亮LED燈等。同時,ECU板通過DSI BUS也為從節(jié)點設(shè)備如傳感器提供了供電,有效減少了氣囊系統(tǒng)的布線,提高了系統(tǒng)可靠性。

DSI BUS作為氣囊的專用總線具有很好可靠性。通過CRC校驗,DSI BUS可以避免由信號傳輸錯誤造成的誤動作；當(dāng)信號線出現(xiàn)斷路時,DSI BUS的器件并不會因此損壞,并且可通過對Slave器件中開關(guān)進行操作,斷開發(fā)生問題的部分,使總線連接正常的部分工作；甚至可以通過兩個Master(另一個作為備用)分別連接在一條總線的兩端,這樣即使信號線上一點出現(xiàn)問題,一個Master因此不能控制所有的Slave節(jié)點,DSI BUS仍能通過另一個備用Master控制剩余的節(jié)點；一些Master的接口芯片(如飛思卡爾的MC33780)還支持差分信號輸出(圖4)和具有頻譜延展功能,這樣可以有效降低總線的EMI(電磁干擾)。

圖4:DSI BUS的短命令字0x18。

總之,隨著安全氣囊系統(tǒng)復(fù)雜性的提高,分布式控制安全氣囊系統(tǒng)越來越普及,DSI BUS作為安全氣囊系統(tǒng)的專用解決方案,既可以應(yīng)用于系統(tǒng)架構(gòu)較復(fù)雜的分布式控制氣囊結(jié)構(gòu),同時,也適用于系統(tǒng)架構(gòu)較簡單的集中式控制氣囊結(jié)構(gòu),既可以每個節(jié)點使用預(yù)編程方式,在組裝前進行地址編程,也可以使用可編程方式,在系統(tǒng)安裝后進行地址編程。使用DSI BUS可以使系統(tǒng)非常方便拓展或更改,節(jié)約布線成本,降低系統(tǒng)復(fù)雜性,增強系統(tǒng)可靠性,并對降低系統(tǒng)EMI特性有顯著效果。

作者:張鑫

  系統(tǒng)應(yīng)用工程師

  飛思卡爾(中國)有限公司