安全气囊系统PSI5通信协议解析及仿真测试

刘全周，高继东，杨璐

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

安全气囊系统PSI5通信协议解析及仿真测试

刘全周，高继东，杨璐

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

通过对安全气囊系统PSI5通信协议进行解析，对碰撞传感器的信号特征进行仿真。利用硬件在环仿真测试技术，模拟车辆碰撞的各种工况条件，对安全气囊控制器的控制策略及诊断策略进行测试验证。不仅可以对碰撞工况进行重复试验，也大大降低了实车碰撞试验的测试成本，是安全气囊控制器策略研究的有效测试手段。

PSI5；安全气囊；仿真测试

随着中国汽车行业的蓬勃发展和汽车数量的日益增加，汽车安全问题也随之倍受关注。安全气囊成为轿车的标准配置之一，其控制器的开发与设计成为重中之重［1］。

PSI5协议是专门针对安全气囊系统制定的通信协议，其中定义了安全气囊系统中各种传感器是怎样进行通信以及应用层和物理层之间怎样实现并提供相关的规格参数。PSI5协议是基于现存碰撞传感器接口的一种开放标准，目前在数百万的安全气囊系统中得到验证。PSI5通信协议为汽车传感器提供一个可靠的、灵活的通信标准。

为了在安全气囊控制器开发验证过程中能够高效简便地对控制器进行测试，PSI5通信协议的解析与仿真是十分重要的。本文将针对PSI5通信协议进行解析与讨论，并对安全气囊控制器硬件在环仿真过程进行简单介绍。

1 PSI5通信协议介绍

1.1 PSI5通信协议

PSI5（Peripheral sensor interface 5）是外设传感器接口5通信协议，是由Autoliv、博世（Bosch）、大陆、飞思卡尔和TRW共同制订的，是一种基于外设传感器接口的开放标准。传感器的数据可以通过双线接口进行同步或者异步数据传输。而且PSI5通信协议有技术特性优和实施成本低的优点，也可适用于其他汽车传感器的应用［1-2］。

最新的PSI5通信协议是通过一种低成本来实现高速和高可靠性的数据传输，主要特点有：两线电流传输；曼彻斯特编码的数据传输方式；可选的高速传输速度125 kb／s或者189 kb／s；高电磁兼容性和低功耗；可变的数据字长度（10～28位）；不同总线模式下实现同步或者异步触发；双向通信。

1.2 PSI5物理层

传感器和安全气囊控制器（下简称“控制器”）是通过2根硬线进行连接的，这2根线既负责供电又负责数据传输。控制器通过这2根硬线向传感器发送同步脉冲电压信号，传感器向控制器传输调制电流方式的曼切斯特编码。

控制器向传感器发送电压调制信号，一般有2种方式：“时间间隙”和“脉宽调制”。其中脉宽调制方式中，逻辑“0”是短脉冲，逻辑“1”是长脉冲；时间间隙方式是在规定的周期内发送一次脉冲电压，相较脉宽调制简单很多。传感器向控制器发送电流信号则是通过曼彻斯特编码的形式进行传输。

1.3 PSI5协议数据链路层

PSI5的数据传输格式为：2个起始位（S1和S2）、N个数据位D0～D［N-1］（N=10～28）、一个奇偶校验位或者CRC校验位（循环冗余校验）。图1为PSI5协议10位的数据传输格式。

图1 PSI5协议10位的数据传输格式

1.4 PSI5工作模式

PSI5的工作模式可以分为同步触发或者异步触发2种方式，而且在最新的通信协议里面推荐了菊花链的工作模式，菊花链中也可以分为同步或者异步触发的工作方式。

同步触发方式是通过控制器发送一个脉冲信号来实现数据的同步触发，然后总线上的传感器根据事先定好的时间间隙来发送加速度数据。图2为3个传感器同步并行的工作方式示意图。

图2 3个传感器同步并行的工作方式示意图

2 PSI5通信协议解析

为了更好地了解和仿真PSI5通信协议，本文对某安全气囊控制系统中的通信数据进行了解析。传感器和控制器的通信过程主要包括初始化阶段和数据传输阶段。图3为控制器与传感器之间的通信示意图。

2.1 初始化阶段解析

控制器与传感器之间的通信过程包括初始化阶段和数据传输阶段，其中初始化又分为3个阶段：初始化阶段一——没有任何的数据传输；初始化阶段二——传输生产厂商、生产串号、生产日期等数据；初始化阶段三——传输传感器状态信息。传感器在向控制器发送电流信号的时候，为了确保传输信息的准确性，传感器会根据曼彻斯特编码的方式，连续重复发送4次ID和本ID的具体信息。数据传输格式如图4所示。

初始化阶段一是控制器通过2根硬线向传感器发送周期电压脉冲信号，在此期间传感器不向控制器回应任何信息。

图3 控制器与传感器之间的通信示意图

图4 数据传输格式

初始化阶段二是控制器向传感器发送周期电压脉冲信号，传感器向控制器回应13位曼彻斯特编码的电流信号，其中传输了生产厂家、生产日期和生产串号等信息。本次解析对象总共有128位初始化数据，通过32个数据字分2页进行传输。图5为ID5的数据波形和曼彻斯特编码解析。

图5 ID5的数据波形和曼彻斯特编码解析

在传输完第2阶段的序列号后，传感器开始传输传感器的状态信息。如果初始化阶段的自检通过了则发送传感器匹配成功消息，在收到传感器初始化成功的消息后传感器开始传输加速度数据。

2.2 加速度数据传输阶段解析

数据传输阶段主要是以二进制的补码形式传输数据，包括加速度信息以及在传输数据过程中传感器的状态信息。

2.3 传感器异常信号解析

如果传感器发生了错误，将发送14次“传感器错误”消息（1F4），后面紧跟一个传感器错误类型消息。发生错误消息后，控制器会根据错误类型做出相应的处理，来避免气囊的误爆和相应故障的提示处理。

根据解析结果与安全气囊的相关说明相对照，证明本次测试很清楚地解析出传感器与控制器之间的交互信息。

3 碰撞传感器信号仿真

3.1 仿真台架硬件

根据PSI5通信协议的格式进行碰撞传感器信号的仿真，使得通过仿真碰撞传感器信号实现安全气囊控制器的半实物仿真测试。主要测试框架如图6所示。

图6 安全气囊系统硬件在环测试框架图

本次安全气囊控制系统的硬件在环测试主要使用德国dSPACE公司的仿真板卡和机柜进行仿真测试。通过专用的PGI板卡，测试过程中不仅能够仿真正常的传感器信号，也能够仿真传感器异常信号，能够很好地验证控制系统的功能逻辑策略和故障注入工况。这种硬件在环测试方法避免了真实碰撞的损失和不可重复性，为安全气囊控制器的开发验证过程提供了更简便高效的保证。

3.2 仿真测试软件

本次仿真的软件部分主要包括MatlabSimulink和dSPACE的上位机软件ControlDesk。通过Simulink模型对各个仿真信号进行相应配置，将模型导入ControlD-esk中以便对各个信号进行仿真和采集操作，然后通过ControlDesk测试管理界面对安全气囊进行相关测试。

在模型部分主要是针对PSI5总线的传输原理对碰撞传感器进行仿真，图7即为碰撞传感器的部分仿真模型。

图7 Simulink仿真模型部分

3.3 仿真测试结果

针对控制器的逻辑功能，可对不同的工况进行仿真测试。图8为用示波器测得的2个仿真加速度信息。

图8 2个仿真加速度

仿真车速为30 km／h行驶时的仿真碰撞加速度为-46g（图9），此时功能策略为触发安全气囊引爆，控制器的碰撞输出发生变化。

图9 仿真加速度为-46g

为了验证控制器的故障诊断功能，还仿真了传感器异常信号，如传感器的开路、短路等故障，以验证控制器的故障处理策略。

4 结论

在安全气囊控制器开发的过程中，如果采用实车碰撞试验则会有较大的开发成本，所以为了准确验证控制器的算法，硬件在环测试方法很有必要。PSI5通信协议是当前安全气囊控制器较为普遍的一种通信协议。本文通过对PSI5总线的解析，能够更好理解控制器与传感器之间的传输机制，从而使用dSPACE的硬件在环测试平台来实现传感器与控制器之间的仿真测试。仿真过程中不仅能够实现正常信号的仿真，而且能仿真传感器异常信号验证控制器的故障注入功能，从而满足控制器在开发过程中的测试要求。

［1］飞思卡尔半导体（中国）有限公司.飞思卡尔推出符合PSI5标准的汽车气囊系统产品［J］.电子产品世界，2010（6）：81-82.

［2］彭德清.汽车安全气囊误用的测试方法研究［D］.长春：吉林大学，2011.

［3］杨志邦.汽车安全气囊控制器测试验证平台设计与实现［J］.计算机工程与应用，2011（27）：65-68.

［4］叶卫东.安全气囊控制器自动测试系统的设计与研究［J］.计算机测量与控制，2008（4）：467-475.

［5］董亮.汽车安全气囊控制器检测设备的研究与设计［D］.苏州：苏州大学，2014.

（编辑杨景）

Analysis and Simulation Testing of SRS PSI5 Protocol

LIU Quan-zhou，GAO Ji-dong，YANG Lu
（China Automotive Technology&Research Center，Tianjin 300300，China）

Through analyzing the airbag system PSI5 communication protocol，the article simulates the signal of crash sensor.Using the method of hardware in the loop，simulates various working conditions of vehicle collision to test and validate the airbag system control and diagnostic strategy.This method not only realizes collision test replication，but also significantly reduces the cost of real vehicle collision test.Therefore，this is an effective test method forresearch of airbag system control strategy.

PSI5；airbag system；simulation test

U463.6

A

1003－8639（2017）01－0049－03

2016-10-10；

2016-11-23

刘全周（1977-），男，山西运城人，高级工程师，硕士，研究方向为汽车电子硬件在环仿真测试。