基于DSP與FPGA的汽車安全氣囊測試系統設計

張　軼，謝文俊，吳樹東

基于DSP與FPGA的汽車安全氣囊測試系統設計

張軼1，謝文俊1，吳樹東2

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

汽車安全氣囊測試系統是一套在常溫環境下對汽車安全氣囊點火試驗、數據采集及分析的測試系統。為滿足高性能火工品點火電流上升速率（1A/us)的要求，采用DSP和FPGA設計點火控制器進行實時控制，該系統具有同時完成6通道模擬信號（壓力、應變、電流、電壓等）高速采集及數據分析的功能，從而滿足系統高速多通道采集和快速點火的要求。

DSP；FPGA；汽車安全氣囊；點火控制

0　引言

汽車安全氣囊測試系統是一套用于檢測安全氣囊在工作過程中各項指標是否達標的設備，通過檢測這些指標來判定氣囊的安全性。由于點火是一個瞬態過程，時間大約在30~40ms，因此若要清晰地復現在點火過程中的點火電流、點火電壓以及產生的壓力、應變等參數就需要采用較高的采樣率。目前汽車安全氣囊點火系統普遍采用可控的輸出電流或電壓進行火工品點火，點火電流的上升速率一般是1A/us，無法滿足高性能火工產品的試驗需求。本文提出一種基于點火控制器的汽車安全氣囊點火控制系統，點火控制器采用FPGA及DSP對點火電流進行反饋控制，滿足了系統點火電流上升速率的要求。

1　系統總體設計

火工品（簡稱負載）引爆后，產生的沖擊壓力會使受壓物品產生形變，因此需安裝兩種應變傳感器，通過分析壓力及應變傳感器的數據來判定火工品的性能。

壓力和應變傳感器信號經過兩級放大器進行調理、放大和濾波后進入測試適配箱，最后輸入到同步采集卡中。系統軟件包含通道校準模塊，可以根據通道校準模塊提供的物理量與電量的關系，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，此外系統還具有CFC濾波處理的功能。系統組成原理如圖1所示。

圖1　系統組成原理

測試時首先由上位機發出檢測指令，通過RS-232總線對點火控制器發出檢測產品電阻值的指令，點火控制器收到指令后由DSP通過繼電器對電路進行切換，通過四線制的PXI電阻測量卡精確測量負載的電阻值。在完成電阻測量后，由上位機通過RS-232總線對點火電源同時發出點火命令。

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

對采集到的數據利用最小二乘法進行數據分段處理：

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的計算公式如下，其中yi、pi為臺階壓力值及其所對應的電壓值，具體詳見壓力傳感器靜態檢定規程。

式中：

yi：表示為電壓量；

pi：表示為壓力。

在傳感器的校準過程中，臺階值的跨度較大，需要對采集的數據進行反標定才能保證數據的正確性，綜合考慮采集繪圖時間、數據的一致性及傳感器性能指標的要求，這里選擇分7段處理采集數據同時對數據進行CFC濾波處理，最后將采集到的數據存儲到上位機中。

2　主要硬件設計

2.1點火控制器組成及原理

點火控制器是本系統的核心部分，由儲能回路、放電控制回路、電流檢測回路、主控單元及安全保護電路5部分組成。點火控制器采用了高速電容器儲能、瞬間放電、FPGA脈沖時間門精確控制以及高速恒流閉環調節技術等，可以完全滿足點火電流上升率的要求，通過DSP負反饋調整技術避免了電流過沖的產生，縮短了穩流調整的時間。控制單元核心由DSP處理器和FPGA精確時間門組成，外圍電路包括AD和DA轉換，主要完成對點火參數的裝訂和精確控制，并在點火啟動后通過比較采集到的電流值和設定值，從而快速地控制點火電源的恒流反饋，使點火電流快速達到穩態。點火控制原理示意圖如圖2所示。

圖2　點火控制器硬件原理圖

點火控制時，首先由DSP控制單元根據用戶設置的點火時序和點火脈寬，控制FPGA自動輸出一個精確的點火脈沖時間門信號，該信號經過限流電阻進入光耦輸入端，通過選擇光耦的導通或斷開來控制晶閘管的門級，從而實現了對點火回路接通及斷開的控制。在接通點火回路后，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的調節，從而滿足了恒流穩態調整控制的要求。設計中采用大功率MOSFET管，驅動電路高速光耦，其最大傳輸延遲為0.5us，共模抑制比變化速率15kv/us。

2.2儲能回路設計

為補償點火電源暫態性及保證點火電流的上升速率點火控制器設計儲能網絡對外提供能量，其采用大容量、高速電容器的儲能可滿足點火電流及功率需求。若點火電流上升速率di/dt=1A/us，電感理論計算公式如下：

由（5）（6）（7）三式可得L=10uH。

2.3點火控制回路設計

點火控制回路采用電子開關控制，如圖3所示，其門控信號由光耦輸出控制。當DSP處理器接收到點火參數及指令后，控制FPGA輸出一個精確的時間門控制脈沖，輸出到光耦輸入端，控制回路放電，同時將時間門控制信號送到上位主機作數據采集啟動標志信號。

2.4電流檢測回路設計

為保證點火電流上升速率的要求，點火電流采用電流反饋環節控制，因此需采用高速的DSP實現反饋算法，同時為滿足高精度的點火延遲要求，點火延遲精度在0.01ms，故采用FPGA精確時間控制。

電流檢測電路采用高精度、高速率的電流互感器采樣，將負載電流轉化成電壓供DSP處理器AD采樣轉換，根據采集到的電流值計算出穩態恒流誤差，利用點火電源外反饋控制電壓信號從而構成電流閉環調節。

2.5主控單元設計

控制單元核心由DSP處理器和FPGA精確時間門組成，外圍包括A/D轉換和D/A轉換電路，主要完成點火參數裝訂和精確控制，并在點火啟動后通過將采集到的電流值和設定值比較，進而控制點火電源恒流反饋，使點火電流快速達到穩態恒流。

2.6系統安全性設計

為確保點火控制器在正常連接狀態下不會產生誤點火，點火控制單元需要實時檢測門禁開關和門鎖開關，同時軟件中還需增加點火回路的監控功能，在點火過程中，當任意一個點火條件不滿足時，軟件就會自動輸出控制指令，控制點火電源緊急停止輸出。

3　系統軟件設計

從數據流分析來看，系統軟件在運行時需要同時執行試驗控制、數據采集、數據處理及顯示等多個任務。為保證軟件系統的良好運行，整個軟件需要設計為多線程運行。

圖3　軟件設計總圖

軟件啟動后由主控程序調用自檢模塊對測試系統進行自檢，以確保測試系統正常運行。主控程序先發送握手指令進行握手交聯，再由用戶選擇點火操作，調用點火功能模塊對被測對象進行點火同時啟動采集功能模塊采集數據，最后由主控程序調用數據模塊對采集得到的數據進行處理。

4　產品試驗結果

試驗條件如下：

點火電流設置：1.2A；

點火延遲：50.0ms；

通電時限：2.0ms；

采樣率：1M。

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

圖4　點火電流上升曲線圖

5　結語

基于DSP與FPGA的汽車安全氣囊測試系統是一套應用于批量安裝或生產安全氣囊的大型汽車廠的系統。該系統具有檢測速度快、采樣率高、點火電流上升率快等特點，能夠準確地反映出汽車安全氣囊在應對突發狀況時氣囊工作時的各項指標，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，研究方向為測控技術

吳樹東，河南濮陽人，博士，高級工程師，研究方向為測控技術

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，研究方向為測控技術

2015-04-13

2015-04-16