0 引言

    在安全氣囊控制模塊（ACU）的開發過程中，加速度傳感器是安全氣囊起爆的輸入信號，但由于這類加速度傳感器都是IC封裝，測試時只能通過實際的碰撞驗證ACU的起爆性能。而受實車碰撞的成本高、周期長、操作復雜等因素制約， 使得利用最終的實車碰撞來標定ACU算法成為不可能。同時，加速度傳感器在生成制造過程中同樣有很多失效形式，而在加速度傳感器上又無法模擬其內部故障，因此如何驗證ACU在其失效時是否能提醒駕駛員及時維修/更換產品，避免功能失效導致的安全問題同樣是重中之重。

    鑒于以上原因，針對加速度傳感器的硬件仿真是解決上述問題的唯一途徑。在硬件仿真測試過程中，由于碰撞信號、加速度數據、寄存器狀態等都是可配置的，因此具有操作簡單、一致性高、成本低等優點。

    本文以飛思卡爾的PSI5加速度傳感器MMA5124LWR2為例，利用單片機模擬加速度信號與ACU進行數據交互。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CAN接口預植入到單片機內部，通過觸發方式模擬碰撞產生，發送碰撞時的加速度信號。采用此種方式可實現基本的數據通信以及碰撞模擬、故障注入等功能，可以代替傳統的實車驗證來標定算法、驗證軟件魯棒性等功能。

1 PSI5通信簡介

    PSI5（Peripheral Sensor Interface）最早由博世、奧托利夫、大陸集團成立的“PSI5委員會”聯合開發，專門用于安全氣囊加速度傳感器的通信。由于PSI5是已經在數以百萬計的安全氣囊控制系統中驗證的開放標準，其低成本易應用的技術特點使PSI5也適用于其他的汽車傳感器。

    PSI5采用兩線供電的傳感器和數據傳輸。安全氣囊控制模塊給傳感器提供電壓，從傳感器到ACU的數據通過對電源線的電流調制進行傳輸。

    數據傳輸采用Manchester編碼，電流下降表示邏輯“0”，電流上升表示邏輯“1”。每一幀數據由2 bit起始位、10～20 bit數據位、1 bit奇偶校驗位或3 bit CRC校驗位組成[1]。單幀數據結構如圖1所示。

2 硬件在環仿真系統介紹

    硬件在環仿真是指被仿真環境中存在實物硬件的實時動態仿真技術。仿真環境不僅需要數據輸入、輸出測試，還要進行信號模擬、故障注入、時序控制等復雜工作。信號發生器的信號源無法滿足需求，而在實際產品上測試存在費用高、時間長、條件不確定等因素，導致實際無法執行測試。隨著計算機技術的發展，開始使用硬件在環仿真技術進行控制系統軟硬件的開發和測試^[2-4]。

    在ACU的開發過程中，加速度傳感器作為氣囊起爆與否的輸入信號，任何差錯都可能導致嚴重后果。對加速度傳感器進行仿真，可以模擬整車碰撞實驗，降低實驗費用，同時可在軟件開發期間進行故障注入測試，有效地縮短產品開發周期，提前發現問題，控制產品風險。

3 硬件設計

    (1)微控制器單元

    DSPIC33FJ128GP706是Microchip公司推出的高性能16位數字信號控制器，帶有128 KB的Flash存儲器和16 KB的在片RAM，可存儲超過1 s的模擬加速度數據；DSP的DMA指令可實現快速數據處理，節省測試時間；利用其高速CAN接口可實現外部快速配置；片上AD接口用于傳感器供電電壓的檢測?；谶@些特殊性能，可實現復雜的系統需求。

    (2)上位機接口

    系統采用高速CAN連接上位機，波特率為500 K，數據長度8 B。假設待傳輸的加速度數據最大為2 KB，數據幀發送周期為10 ms，則發送所有數據所需要的時間約為2.56 s，在設計允許范圍內。同時在仿真傳感器運行時，上位機可通過CAN接口進行故障注入的設置。

    (3)AD接口單元

    使用MCU自帶AD接口，實時監控ECU提供的電壓，當電壓大于5.5 V時，表示系統已經為模擬傳感器供電，開始進入傳感器初始化階段。

    (4)外部觸發

    通過外部觸發功能，用于模擬碰撞的零時刻。當觸發信號翻轉時，表示車輛發生了猛烈的撞擊，此時將預置在模擬器中的加速度數據通過PSI5接口發送給ACU，就可以實現碰撞的模擬。這種碰撞持續時間短，一般只有幾百毫秒，利用單片機的RAM存儲碰撞加速度信息可以實現快速讀取。從碰撞的產生到發送碰撞加速度，最大延時為250 μs（即一個PSI5發送周期）。

    (5)ACU連接單元

    由于PSI5通信數據由電流信號以Manchester編碼方式進行傳輸，MCU輸出信號為電壓信號，無法直接被ACU識別，因此需要將MCU輸出信號作為控制端，當電平變化時，對應負載不同，以達到電流變化的目的。

    與ACU的連接，可以使用I/O口來調整傳感器電源線的電流，但I/O口對MCU資源占用太高，穩定性差，因此采用MCU的SPI接口，工作在主模式，所用的信號線為SCK、MOSI。

    從PSI5的數據幀格式來看，PSI5每一位都對應高低兩個電平的變化才能實現，因此SPI速率應為PSI5通信速率的2倍。由于MOSI的信號電平在空閑狀態時不可控，因此增加了4個串入串出的8位移位寄存器SN74LV166AD，用SPI的SCK信號線來驅動移位寄存器，實現32位SPI信號的發送。

    ACU連接部分電路如圖2所示。

4 軟件設計

    待模擬的MMA5124LWR2的PIS5通信方式為125 kb/s異步通信，加速度數據輸出速率為250 μs，上電初始化完成后，持續發送加速度數據給ACU^[5]。初始化和發送加速度數據都是通過PSI5通信完成。傳感器初始化執行過程如圖3所示^[6]。

    從芯片的說明手冊可以得知，該芯片在上電后和ACU的FILC芯片只有PSI5通信數據的交互，因此若要模擬其功能，只需要在上電后持續發送指定的PSI5數據就可以實現其基本功能的仿真。在仿真環境中，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CAN消息指定待發的PSI5數據，當檢測到FLIC芯片提供傳感器電壓后，將預設的PSI5數據發出即可。

    需要注意的是，由于移位寄存器的鎖存特性，每次發送的PSI5數據會在第二個32位SCK下發送。根據這一硬件特性，在傳感器上電后，除了需要清楚移位寄存器的數據外，還需要預發第一幀SPI數據。當第二幀SPI數據發送時，第一幀數據才從移位寄存器移出。

    在作硬件在環時，除了正確模擬傳感器工作之外，還需要設置模擬傳感器的各種工作情況，如碰撞時加速度信號以及各種錯誤情況和報告寄存器值錯誤、通信錯誤、數據錯誤等。在該應用項目中，只需要通過DSPIC33FJ128GP706的CAN通信配置相應軟件參數即可實現，由于CAN的速率高，且DSP存儲數據可以采用DMA方式傳輸，因此可以實現快速配置。

    軟件實現過程如圖4所示。

5 系統驗證

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

    對硬件在環仿真測試系統的驗證主要從兩方面入手：(1)如果脫離硬件仿真平臺后，被測產品無法正確運行，當被測產品運行在仿真環境下，仿真信號和實際信號匹配，應能做到正確無故障運行；(2)執行仿真測試時，導入仿真數據，被測產品能夠按照預期目標執行，同時仿真數據與ACU監控到的加速度數據要保持一致。

    仿真信號的示波器截圖如圖5所示。從該圖中可以看出，PSI5信號非常完整，并能被ACU正常識別，同時可以方便地通過控制SPI信號模擬各種信號故障，如起始位錯誤、校驗位錯誤、數據錯誤等，從而驗證安全氣囊控制模塊的魯棒性。

    在ACU算法開發過程中，該模擬器可模擬實際碰撞時產生的加速度信號，使ACU認為處于碰撞環境中，從而驗證算法的開發，為后續碰撞實驗節約大量的寶貴資源。

6 結論

    本模擬傳感器實現了加速度傳感器的基本功能，并可實現故障注入、碰撞模擬等特殊功能。從實際仿真效果來看，各項性能指標均達到設計要求，并且運行平穩，目前已成功應用于高田ACU的研發和測試中。

參考文獻

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[2] 張永剛，劉志峰.硬件在環仿真技術在汽車安全氣囊電子控制系統中的運用[J].電子技術與軟件工程，2014(24)：251-255.

[3] 吳偉斌，洪添勝，李震，等．基于虛擬儀器技術的汽油發動機ECU仿真測試系統[J]．微計算機信息，2006(8)：205-208.

[4] 朱輝，王麗清.硬件在環仿真在汽車控制系統開發中的應用[J].汽車技術，1998(12)：7-9.

[5] 飛思卡爾半導體(中國)有限公司.飛思卡爾推出符合PSI5標準的汽車氣囊系統產品[J].電子產品世界，2010，17(6)：27-27.

[6] Freescale.PSI5 inertial sensor[DB/OL].(2016-04-12)[2016-07-05].http：//cache.nxp.com/files/sensors/doc/data_sheet/MMA51xxLW.pdf.