安全氣囊系統(tǒng)PSI5通信協(xié)議解析及仿真測(cè)試

劉全周，高繼東，楊璐

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

安全氣囊系統(tǒng)PSI5通信協(xié)議解析及仿真測(cè)試

劉全周，高繼東，楊璐

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

通過(guò)對(duì)安全氣囊系統(tǒng)PSI5通信協(xié)議進(jìn)行解析，對(duì)碰撞傳感器的信號(hào)特征進(jìn)行仿真。利用硬件在環(huán)仿真測(cè)試技術(shù)，模擬車輛碰撞的各種工況條件，對(duì)安全氣囊控制器的控制策略及診斷策略進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。不僅可以對(duì)碰撞工況進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，也大大降低了實(shí)車碰撞試驗(yàn)的測(cè)試成本，是安全氣囊控制器策略研究的有效測(cè)試手段。

PSI5；安全氣囊；仿真測(cè)試

隨著中國(guó)汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展和汽車數(shù)量的日益增加，汽車安全問(wèn)題也隨之倍受關(guān)注。安全氣囊成為轎車的標(biāo)準(zhǔn)配置之一，其控制器的開發(fā)與設(shè)計(jì)成為重中之重［1］。

PSI5協(xié)議是專門針對(duì)安全氣囊系統(tǒng)制定的通信協(xié)議，其中定義了安全氣囊系統(tǒng)中各種傳感器是怎樣進(jìn)行通信以及應(yīng)用層和物理層之間怎樣實(shí)現(xiàn)并提供相關(guān)的規(guī)格參數(shù)。PSI5協(xié)議是基于現(xiàn)存碰撞傳感器接口的一種開放標(biāo)準(zhǔn)，目前在數(shù)百萬(wàn)的安全氣囊系統(tǒng)中得到驗(yàn)證。PSI5通信協(xié)議為汽車傳感器提供一個(gè)可靠的、靈活的通信標(biāo)準(zhǔn)。

為了在安全氣囊控制器開發(fā)驗(yàn)證過(guò)程中能夠高效簡(jiǎn)便地對(duì)控制器進(jìn)行測(cè)試，PSI5通信協(xié)議的解析與仿真是十分重要的。本文將針對(duì)PSI5通信協(xié)議進(jìn)行解析與討論，并對(duì)安全氣囊控制器硬件在環(huán)仿真過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1 PSI5通信協(xié)議介紹

1.1 PSI5通信協(xié)議

PSI5（Peripheral sensor interface 5）是外設(shè)傳感器接口5通信協(xié)議，是由Autoliv、博世（Bosch）、大陸、飛思卡爾和TRW共同制訂的，是一種基于外設(shè)傳感器接口的開放標(biāo)準(zhǔn)。傳感器的數(shù)據(jù)可以通過(guò)雙線接口進(jìn)行同步或者異步數(shù)據(jù)傳輸。而且PSI5通信協(xié)議有技術(shù)特性優(yōu)和實(shí)施成本低的優(yōu)點(diǎn)，也可適用于其他汽車傳感器的應(yīng)用［1-2］。

最新的PSI5通信協(xié)議是通過(guò)一種低成本來(lái)實(shí)現(xiàn)高速和高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸，主要特點(diǎn)有：兩線電流傳輸；曼徹斯特編碼的數(shù)據(jù)傳輸方式；可選的高速傳輸速度125 kb／s或者189 kb／s；高電磁兼容性和低功耗；可變的數(shù)據(jù)字長(zhǎng)度（10～28位）；不同總線模式下實(shí)現(xiàn)同步或者異步觸發(fā)；雙向通信。

1.2 PSI5物理層

傳感器和安全氣囊控制器（下簡(jiǎn)稱“控制器”）是通過(guò)2根硬線進(jìn)行連接的，這2根線既負(fù)責(zé)供電又負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸。控制器通過(guò)這2根硬線向傳感器發(fā)送同步脈沖電壓信號(hào)，傳感器向控制器傳輸調(diào)制電流方式的曼切斯特編碼。

控制器向傳感器發(fā)送電壓調(diào)制信號(hào)，一般有2種方式：“時(shí)間間隙”和“脈寬調(diào)制”。其中脈寬調(diào)制方式中，邏輯“0”是短脈沖，邏輯“1”是長(zhǎng)脈沖；時(shí)間間隙方式是在規(guī)定的周期內(nèi)發(fā)送一次脈沖電壓，相較脈寬調(diào)制簡(jiǎn)單很多。傳感器向控制器發(fā)送電流信號(hào)則是通過(guò)曼徹斯特編碼的形式進(jìn)行傳輸。

1.3 PSI5協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層

PSI5的數(shù)據(jù)傳輸格式為：2個(gè)起始位（S1和S2）、N個(gè)數(shù)據(jù)位D0～D［N-1］（N=10～28）、一個(gè)奇偶校驗(yàn)位或者CRC校驗(yàn)位（循環(huán)冗余校驗(yàn)）。圖1為PSI5協(xié)議10位的數(shù)據(jù)傳輸格式。

圖1 PSI5協(xié)議10位的數(shù)據(jù)傳輸格式

1.4 PSI5工作模式

PSI5的工作模式可以分為同步觸發(fā)或者異步觸發(fā)2種方式，而且在最新的通信協(xié)議里面推薦了菊花鏈的工作模式，菊花鏈中也可以分為同步或者異步觸發(fā)的工作方式。

同步觸發(fā)方式是通過(guò)控制器發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步觸發(fā)，然后總線上的傳感器根據(jù)事先定好的時(shí)間間隙來(lái)發(fā)送加速度數(shù)據(jù)。圖2為3個(gè)傳感器同步并行的工作方式示意圖。

圖2 3個(gè)傳感器同步并行的工作方式示意圖

2 PSI5通信協(xié)議解析

為了更好地了解和仿真PSI5通信協(xié)議，本文對(duì)某安全氣囊控制系統(tǒng)中的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行了解析。傳感器和控制器的通信過(guò)程主要包括初始化階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。圖3為控制器與傳感器之間的通信示意圖。

2.1 初始化階段解析

控制器與傳感器之間的通信過(guò)程包括初始化階段和數(shù)據(jù)傳輸階段，其中初始化又分為3個(gè)階段：初始化階段一——沒(méi)有任何的數(shù)據(jù)傳輸；初始化階段二——傳輸生產(chǎn)廠商、生產(chǎn)串號(hào)、生產(chǎn)日期等數(shù)據(jù)；初始化階段三——傳輸傳感器狀態(tài)信息。傳感器在向控制器發(fā)送電流信號(hào)的時(shí)候，為了確保傳輸信息的準(zhǔn)確性，傳感器會(huì)根據(jù)曼徹斯特編碼的方式，連續(xù)重復(fù)發(fā)送4次ID和本ID的具體信息。數(shù)據(jù)傳輸格式如圖4所示。

初始化階段一是控制器通過(guò)2根硬線向傳感器發(fā)送周期電壓脈沖信號(hào)，在此期間傳感器不向控制器回應(yīng)任何信息。

圖3 控制器與傳感器之間的通信示意圖

圖4 數(shù)據(jù)傳輸格式

初始化階段二是控制器向傳感器發(fā)送周期電壓脈沖信號(hào)，傳感器向控制器回應(yīng)13位曼徹斯特編碼的電流信號(hào)，其中傳輸了生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)日期和生產(chǎn)串號(hào)等信息。本次解析對(duì)象總共有128位初始化數(shù)據(jù)，通過(guò)32個(gè)數(shù)據(jù)字分2頁(yè)進(jìn)行傳輸。圖5為ID5的數(shù)據(jù)波形和曼徹斯特編碼解析。

圖5 ID5的數(shù)據(jù)波形和曼徹斯特編碼解析

在傳輸完第2階段的序列號(hào)后，傳感器開始傳輸傳感器的狀態(tài)信息。如果初始化階段的自檢通過(guò)了則發(fā)送傳感器匹配成功消息，在收到傳感器初始化成功的消息后傳感器開始傳輸加速度數(shù)據(jù)。

2.2 加速度數(shù)據(jù)傳輸階段解析

數(shù)據(jù)傳輸階段主要是以二進(jìn)制的補(bǔ)碼形式傳輸數(shù)據(jù)，包括加速度信息以及在傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中傳感器的狀態(tài)信息。

2.3 傳感器異常信號(hào)解析

如果傳感器發(fā)生了錯(cuò)誤，將發(fā)送14次“傳感器錯(cuò)誤”消息（1F4），后面緊跟一個(gè)傳感器錯(cuò)誤類型消息。發(fā)生錯(cuò)誤消息后，控制器會(huì)根據(jù)錯(cuò)誤類型做出相應(yīng)的處理，來(lái)避免氣囊的誤爆和相應(yīng)故障的提示處理。

根據(jù)解析結(jié)果與安全氣囊的相關(guān)說(shuō)明相對(duì)照，證明本次測(cè)試很清楚地解析出傳感器與控制器之間的交互信息。

3 碰撞傳感器信號(hào)仿真

3.1 仿真臺(tái)架硬件

根據(jù)PSI5通信協(xié)議的格式進(jìn)行碰撞傳感器信號(hào)的仿真，使得通過(guò)仿真碰撞傳感器信號(hào)實(shí)現(xiàn)安全氣囊控制器的半實(shí)物仿真測(cè)試。主要測(cè)試框架如圖6所示。

圖6 安全氣囊系統(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試框架圖

本次安全氣囊控制系統(tǒng)的硬件在環(huán)測(cè)試主要使用德國(guó)dSPACE公司的仿真板卡和機(jī)柜進(jìn)行仿真測(cè)試。通過(guò)專用的PGI板卡，測(cè)試過(guò)程中不僅能夠仿真正常的傳感器信號(hào)，也能夠仿真?zhèn)鞲衅鳟惓Ｐ盘?hào)，能夠很好地驗(yàn)證控制系統(tǒng)的功能邏輯策略和故障注入工況。這種硬件在環(huán)測(cè)試方法避免了真實(shí)碰撞的損失和不可重復(fù)性，為安全氣囊控制器的開發(fā)驗(yàn)證過(guò)程提供了更簡(jiǎn)便高效的保證。

3.2 仿真測(cè)試軟件

本次仿真的軟件部分主要包括MatlabSimulink和dSPACE的上位機(jī)軟件ControlDesk。通過(guò)Simulink模型對(duì)各個(gè)仿真信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)配置，將模型導(dǎo)入ControlD-esk中以便對(duì)各個(gè)信號(hào)進(jìn)行仿真和采集操作，然后通過(guò)ControlDesk測(cè)試管理界面對(duì)安全氣囊進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。

在模型部分主要是針對(duì)PSI5總線的傳輸原理對(duì)碰撞傳感器進(jìn)行仿真，圖7即為碰撞傳感器的部分仿真模型。

圖7 Simulink仿真模型部分

3.3 仿真測(cè)試結(jié)果

針對(duì)控制器的邏輯功能，可對(duì)不同的工況進(jìn)行仿真測(cè)試。圖8為用示波器測(cè)得的2個(gè)仿真加速度信息。

圖8 2個(gè)仿真加速度

仿真車速為30 km／h行駛時(shí)的仿真碰撞加速度為-46g（圖9），此時(shí)功能策略為觸發(fā)安全氣囊引爆，控制器的碰撞輸出發(fā)生變化。

圖9 仿真加速度為-46g

為了驗(yàn)證控制器的故障診斷功能，還仿真了傳感器異常信號(hào)，如傳感器的開路、短路等故障，以驗(yàn)證控制器的故障處理策略。

4 結(jié)論

在安全氣囊控制器開發(fā)的過(guò)程中，如果采用實(shí)車碰撞試驗(yàn)則會(huì)有較大的開發(fā)成本，所以為了準(zhǔn)確驗(yàn)證控制器的算法，硬件在環(huán)測(cè)試方法很有必要。PSI5通信協(xié)議是當(dāng)前安全氣囊控制器較為普遍的一種通信協(xié)議。本文通過(guò)對(duì)PSI5總線的解析，能夠更好理解控制器與傳感器之間的傳輸機(jī)制，從而使用dSPACE的硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器與控制器之間的仿真測(cè)試。仿真過(guò)程中不僅能夠?qū)崿F(xiàn)正常信號(hào)的仿真，而且能仿真?zhèn)鞲衅鳟惓Ｐ盘?hào)驗(yàn)證控制器的故障注入功能，從而滿足控制器在開發(fā)過(guò)程中的測(cè)試要求。

［1］飛思卡爾半導(dǎo)體（中國(guó)）有限公司.飛思卡爾推出符合PSI5標(biāo)準(zhǔn)的汽車氣囊系統(tǒng)產(chǎn)品［J］.電子產(chǎn)品世界，2010（6）：81-82.

［2］彭德清.汽車安全氣囊誤用的測(cè)試方法研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

［3］楊志邦.汽車安全氣囊控制器測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2011（27）：65-68.

［4］葉衛(wèi)東.安全氣囊控制器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008（4）：467-475.

［5］董亮.汽車安全氣囊控制器檢測(cè)設(shè)備的研究與設(shè)計(jì)［D］.蘇州：蘇州大學(xué)，2014.

（編輯楊景）

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

劉全周（1977-），男，山西運(yùn)城人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)槠囯娮佑布诃h(huán)仿真測(cè)試。