基于DSP与FPGA的汽车安全气囊测试系统设计

张　轶，谢文俊，吴树东

基于DSP与FPGA的汽车安全气囊测试系统设计

张轶1，谢文俊1，吴树东2

（1.空军工程大学航空航天工程学院，西安710038；2.西安电子科技大学，西安710071）

汽车安全气囊测试系统是一套在常温环境下对汽车安全气囊点火试验、数据采集及分析的测试系统。为满足高性能火工品点火电流上升速率（1A/us)的要求，采用DSP和FPGA设计点火控制器进行实时控制，该系统具有同时完成6通道模拟信号（压力、应变、电流、电压等）高速采集及数据分析的功能，从而满足系统高速多通道采集和快速点火的要求。

DSP；FPGA；汽车安全气囊；点火控制

0　引言

汽车安全气囊测试系统是一套用于检测安全气囊在工作过程中各项指标是否达标的设备，通过检测这些指标来判定气囊的安全性。由于点火是一个瞬态过程，时间大约在30~40ms，因此若要清晰地复现在点火过程中的点火电流、点火电压以及产生的压力、应变等参数就需要采用较高的采样率。目前汽车安全气囊点火系统普遍采用可控的输出电流或电压进行火工品点火，点火电流的上升速率一般是1A/us，无法满足高性能火工产品的试验需求。本文提出一种基于点火控制器的汽车安全气囊点火控制系统，点火控制器采用FPGA及DSP对点火电流进行反馈控制，满足了系统点火电流上升速率的要求。

1　系统总体设计

火工品（简称负载）引爆后，产生的冲击压力会使受压物品产生形变，因此需安装两种应变传感器，通过分析压力及应变传感器的数据来判定火工品的性能。

压力和应变传感器信号经过两级放大器进行调理、放大和滤波后进入测试适配箱，最后输入到同步采集卡中。系统软件包含通道校准模块，可以根据通道校准模块提供的物理量与电量的关系，将所采集的电压信号换算成压力值，并以曲线的形式显示在界面中，此外系统还具有CFC滤波处理的功能。系统组成原理如图1所示。

图1　系统组成原理

测试时首先由上位机发出检测指令，通过RS-232总线对点火控制器发出检测产品电阻值的指令，点火控制器收到指令后由DSP通过继电器对电路进行切换，通过四线制的PXI电阻测量卡精确测量负载的电阻值。在完成电阻测量后，由上位机通过RS-232总线对点火电源同时发出点火命令。

在数据采集过程中被测量的压力信号通过电荷放大器转化为电压量，应变力通过应变放大器转变成了电压信号。电荷放大器及应变放大器均可以进行滤波及量程的选择，可对传感器信号进行调理以满足系统对测试精度的要求。调理后的信号通过测试适配箱输入数据采集卡中。

对采集到的数据利用最小二乘法进行数据分段处理：

其中：

Yls为电压量信号；

p为所换算压力值；

a为截距；

b为斜率。

a、b的计算公式如下，其中yi、pi为台阶压力值及其所对应的电压值，具体详见压力传感器静态检定规程。

式中：

yi：表示为电压量；

pi：表示为压力。

在传感器的校准过程中，台阶值的跨度较大，需要对采集的数据进行反标定才能保证数据的正确性，综合考虑采集绘图时间、数据的一致性及传感器性能指标的要求，这里选择分7段处理采集数据同时对数据进行CFC滤波处理，最后将采集到的数据存储到上位机中。

2　主要硬件设计

2.1点火控制器组成及原理

点火控制器是本系统的核心部分，由储能回路、放电控制回路、电流检测回路、主控单元及安全保护电路5部分组成。点火控制器采用了高速电容器储能、瞬间放电、FPGA脉冲时间门精确控制以及高速恒流闭环调节技术等，可以完全满足点火电流上升率的要求，通过DSP负反馈调整技术避免了电流过冲的产生，缩短了稳流调整的时间。控制单元核心由DSP处理器和FPGA精确时间门组成，外围电路包括AD和DA转换，主要完成对点火参数的装订和精确控制，并在点火启动后通过比较采集到的电流值和设定值，从而快速地控制点火电源的恒流反馈，使点火电流快速达到稳态。点火控制原理示意图如图2所示。

图2　点火控制器硬件原理图

点火控制时，首先由DSP控制单元根据用户设置的点火时序和点火脉宽，控制FPGA自动输出一个精确的点火脉冲时间门信号，该信号经过限流电阻进入光耦输入端，通过选择光耦的导通或断开来控制晶闸管的门级，从而实现了对点火回路接通及断开的控制。在接通点火回路后，通过电流传感器来检测电流的大小，并利用DSP处理器完成对恒流闭环的调节，从而满足了恒流稳态调整控制的要求。设计中采用大功率MOSFET管，驱动电路高速光耦，其最大传输延迟为0.5us，共模抑制比变化速率15kv/us。

2.2储能回路设计

为补偿点火电源暂态性及保证点火电流的上升速率点火控制器设计储能网络对外提供能量，其采用大容量、高速电容器的储能可满足点火电流及功率需求。若点火电流上升速率di/dt=1A/us，电感理论计算公式如下：

由（5）（6）（7）三式可得L=10uH。

2.3点火控制回路设计

点火控制回路采用电子开关控制，如图3所示，其门控信号由光耦输出控制。当DSP处理器接收到点火参数及指令后，控制FPGA输出一个精确的时间门控制脉冲，输出到光耦输入端，控制回路放电，同时将时间门控制信号送到上位主机作数据采集启动标志信号。

2.4电流检测回路设计

为保证点火电流上升速率的要求，点火电流采用电流反馈环节控制，因此需采用高速的DSP实现反馈算法，同时为满足高精度的点火延迟要求，点火延迟精度在0.01ms，故采用FPGA精确时间控制。

电流检测电路采用高精度、高速率的电流互感器采样，将负载电流转化成电压供DSP处理器AD采样转换，根据采集到的电流值计算出稳态恒流误差，利用点火电源外反馈控制电压信号从而构成电流闭环调节。

2.5主控单元设计

控制单元核心由DSP处理器和FPGA精确时间门组成，外围包括A/D转换和D/A转换电路，主要完成点火参数装订和精确控制，并在点火启动后通过将采集到的电流值和设定值比较，进而控制点火电源恒流反馈，使点火电流快速达到稳态恒流。

2.6系统安全性设计

为确保点火控制器在正常连接状态下不会产生误点火，点火控制单元需要实时检测门禁开关和门锁开关，同时软件中还需增加点火回路的监控功能，在点火过程中，当任意一个点火条件不满足时，软件就会自动输出控制指令，控制点火电源紧急停止输出。

3　系统软件设计

从数据流分析来看，系统软件在运行时需要同时执行试验控制、数据采集、数据处理及显示等多个任务。为保证软件系统的良好运行，整个软件需要设计为多线程运行。

图3　软件设计总图

软件启动后由主控程序调用自检模块对测试系统进行自检，以确保测试系统正常运行。主控程序先发送握手指令进行握手交联，再由用户选择点火操作，调用点火功能模块对被测对象进行点火同时启动采集功能模块采集数据，最后由主控程序调用数据模块对采集得到的数据进行处理。

4　产品试验结果

试验条件如下：

点火电流设置：1.2A；

点火延迟：50.0ms；

通电时限：2.0ms；

采样率：1M。

用户火工品经过试验后，得到点火电流参数如图4点火电流上升曲线所示，由图中可以看出，点火电流满足点火电流上升速率（1A/us）的要求。

图4　点火电流上升曲线图

5　结语

基于DSP与FPGA的汽车安全气囊测试系统是一套应用于批量安装或生产安全气囊的大型汽车厂的系统。该系统具有检测速度快、采样率高、点火电流上升率快等特点，能够准确地反映出汽车安全气囊在应对突发状况时气囊工作时的各项指标，从而提高安全气囊的可靠性。

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谢文俊，山西闻喜人，博士，教授，研究方向为测控技术

吴树东，河南濮阳人，博士，高级工程师，研究方向为测控技术

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

张轶（1989-），男，湖北荆州人，在读硕士研究生，研究方向为测控技术

2015-04-13

2015-04-16