便携式安全气囊诊断仪的设计与研究

一、前言

 

近几年来，为减少汽车事故中对乘员的伤害，越来越多的轿车开始配备安全气囊[1]。但是，人们往往会质疑气囊是否正常工作、是否起到预期的保护效果。因此越来越多的气囊ECU设置了黑匣子功能，能够保存事故发生时的重要数据信息以便于事故处理[2]。

 

由于国内和国际都没有针对气囊ECU规定其数据存储和输出格式，加上技术保密的原因，导致每个生产气囊ECU的厂商都有自己的一套标准，这个标准往往只有制造商具有解释权。当事故发生后，只有制造商能够读出气囊ECU里面的数据并对其进行解释，为避免承担由于气囊故障造成事故的责任，制造商很有可能对数据进行处理，这就很难使公众相信黑匣子数据处理后的结果[3]。

 

解决这种问题的办法就是设计制造一种第三方专业设备，能够对气囊ECU进行数据读出、解析，客观公正地反映事故中气囊的工作状况，从而对事故处理起到一个更好的辅助作用。

 

作者主要针对QH32F以及QH42OCS型气囊ECU以及乘员识别系统设计一套对应的便携式气囊诊断仪，能够方便地读出气囊ECU中的事故数据以及故障码，并对数据进行解码显示，便于事故现场对数据进行处理。

 

二、气囊诊断仪系统功能需求

 

与气囊ECU的数据通信目前气囊ECU与外界的通信方式一般可以采取SCI、CAN总线、KWP2000等形式，由于CAN网络已经成为汽车车身的一个重要网络形式，该诊断仪采用CAN总线和气囊ECU建立通信[4]。

 

和上位机的信息共享由于上位机具有更强大的运算能力，有更为丰富和灵活的软件对数据进行分析和处理，因此主要的数据处理工作需要由上位机完成，通过和诊断仪的通信实现信息共享。

 

气囊工作状态及故障指示诊断仪的主要功能是通过和气囊ECU建立通信，显示出气囊的工作状态等信息，因此需要诊断仪能够通过显示组件显示出这些相关信息。

 

数据读取、存储、管理及分析诊断仪需要能够永久保存读出的气囊信息，并能在事故现场对数据进行一些初步分析。

 

具有多重权限和用户管理功能由于使用者的不确定性，需要对诊断仪设定不同的权限，避免无关人员对数据的破坏或篡改。

 

功能清晰，便于操作对于诊断仪常用的功能设置常用功能键，其它非常用功能通过软件进行切换，并设置方便的软件菜单。

 

便携性由于事故现场的环境无法预知，因此需要诊断仪具有很强的移动性，能够随身携带。

 

三、气囊诊断仪系统结构设计

 

该诊断仪系统由硬件部分和软件部分组成，每个部分都划分成几个模块，便于进行模块化设计，图1是诊断仪整个系统的框图。

 

 

 

（一）气囊诊断仪硬件设计

 

1．MCU和数据存储器

 

51系列单片机在国内工业控制领域应用相当广泛，具有很好的价格优势，因此设计使用51系列单片机作为诊断仪主控芯片，具体型号为ATMEL公司生产的89C52芯片。外扩存储器使用一片NVRAM，同时起到数据存储器和程序RAM的作用。图3是诊断仪MCU和数据存储器框图。

 

 

 

图2是诊断仪硬件部分的模块图。

 

 

 

 

2．和气囊ECU的通信电路设计

 

诊断仪的MCU并没有内置CAN控制器，因此采用PHILIPS公司的CAN控制器SJA1000，总线收发器采用82C250。图4是诊断仪MCU和CAN控制器框图。

 

 

 

3．液晶显示电路设计

 

为了能够显示气囊的状态信息以及显示各个功能菜单，诊断仪使用型号为RT12864M的汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形。图5是诊断仪MCU和显示组件框图。

 

 

 

4．键盘输入电路设计

 

诊断仪使用一块8×8的矩阵键盘和外界进行交互，为减小单片机的计算压力，使用键盘控制器82C79进行键盘扫描、编码、消抖。图6是诊断仪MCU和键盘控制器框图。

 

 

 

5．电源电路设计

 

诊断仪的MCU、存储器以及液晶显示模块等都工作在5V电压下，考虑到事故发生后汽车往往停止供电，想要实现和气囊ECU的通信，必须同时给其ECU供电，一般使用通信线直接给气囊ECU供电。而气囊ECU工作在12V电压下，因此诊断仪电源需要12V电源。考虑到系统的便携性，这里使用一块1800mAh12V锂电池作为电源，它的输出经过LC滤波后直接接到CAN通信线上，单片机需要的5V电压是经过DC转换芯片2576转换得到。

 

6．其它电路

 

除了上述电路外，为满足诊断仪的其它功能需求，还需要有复位电路、看门狗电路和串口通信电路等。这里使用Xiacr的看门狗复位芯片X25045，集成最常用的3种功能:看门狗定时器、电压管理和串行EEPROM，它能够减少成本和线路板面积。串行EEPROM具有512B，用它保存用户信息和系统使用权限信息。

 

另外，和PC机的串口通信使用常用的MAX232进行电平转换。图7是诊断仪其它接口电路框图。

 

 

 

（二）气囊诊断仪软件设计

 

1.系统软件功能需求[5]

 

数据通信、解码及显示功能作为诊断仪，要能够实现和待诊断设备的通信，从待诊断设备中读出故障码和数据并进行存储或者显示。其中数据需要以曲线的方式进行显示，故障码需要对其进行解码，找到对应的故障组件，进而显示到显示屏上。

 

数据分类管理功能由于诊断仪一次可能读取多个气囊ECU的数据，因此需要对数据进行分类管理。

 

数据处理功能为能够在现场得到一些有用信息，要求诊断仪对数据进行初步的分析和处理，因此需要有简单的数据处理功能，包括滤波、消除零漂和传感器标定等功能。

 

气囊工作状态实时显示功能在诊断气囊ECU时，同样需要知道气囊ECU的当前状态。比如当气囊ECU未发出点火信号时，因此其内部没有故障码和其它各种数据，这时就需要诊断仪获取气囊ECU的工作状态，以比较直观的方式提示操作者。

 

CAN总线调试助手功能在调试气囊ECU时，由于使用的是CAN总线，因此要知道CAN总线的工作状态。诊断仪最好具有CAN总线调试功能，显示CAN总线的工作状态以及对特定的数据进行实时观测，这个功能实际上具有通用性，同样能够应用于其它使用CAN总线的场合。

 

数据共享功能由于诊断仪的数据处理功能有限，而PC机具有丰富的第三方数据处理软件，因此主要的数据后处理应该依靠PC机完成，诊断仪要能够和上位机采用串口通信，传输存储的数据和故障码。

 

串口调试助手功能由于诊断仪使用串口通信，因此可参照CAN总线，同样设置串口通信调试功能，能够改变波特率，发送和接收特定的字符或字符串，这也可作为一个通用的便携式串口调试助手使用。目前串口设备的应用相当广泛，便携式的串口调试助手能够和PC机一样和这类设备建立通信，是一个很好的调试工具。

 

自检测功能作为专用诊断设备，不仅能对气囊ECU进行诊断，还应能够进行自检测，否则诊断仪自身的故障可能造成数据的读取失败甚至数据清除。诊断仪自检测需在开机时进行，确保诊断仪的正常工作。诊断仪的自检测包括电源电压、CAN总线通信、串口通信、存储器存储、液晶和键盘的工作状态等。其中电源电压的检测依靠气囊ECU，这是因为诊断仪的单片机本身没有AD采样模块，而单独使用AD芯片将会使成本不必要地上升，考虑到CAN总线的通信线实际上也是电源线，因此可使用气囊ECU的AD模块。诊断仪通过CAN总线发送电源电压检测指令，气囊ECU进行AD采样并将结果通过CAN总线发回诊断仪，诊断仪再通过查表法得到电源电压对应的电量，完成电量的自检测。

 

用户管理功能诊断仪对操作者设置不同的使用权限。

 

帮助功能由于诊断仪的功能很多，每种功能对应的操作也不同，特别是软件的使用，因此设置帮助功能，显示特定状态下的帮助信息，帮助操作者掌握诊断仪的使用。

 

图8是诊断仪系统控制软件的功能需求模块图，软件开发时，实际是先进行模块开发，最后进行模块的整合。

 

 

 

2．系统主程序

 

诊断仪系统主程序的基本功能是进行系统各设备的初始化，验证用户信息等。另外，由于系统的中断源较多，且有部分操作具有实时性要求，因此主程序表现为背景程序，承担绝大部分的数据处理功能。图9是诊断仪主程序的基本流程图。

 

 

 

3．系统子程序控制策略

 

系统辅助子程序诊断仪系统辅助子程序主要包括硬件的初始化、驱动程序以及一些底层的代码，由于这部分程序直接和硬件相关，因此控制软件主要参照硬件的使用说明编写标准控制函数，预留程序的控制接口。

 

中断子程序由于诊断仪的系统比较复杂，部分操作占用较多的时间，为保证系统的实时性，设置3个中断源:CAN总线接收中断（外部中断0）、键盘中断（外部中断1）和串口接收中断。和上位机通信时，诊断仪不需要对CAN总线以及键盘等中断源进行响应，因此设置串口接收中断具有高优先级。CAN总线上发送给诊断仪的数据需要诊断仪进行迅速接收和存储，否则可能出现重叠错误，因此设置CAN总线接收中断比键盘中断具有较高的优先级。

 

中断子程序策略诊断仪的部分功能对于实时性要求较高，为得到更快和更有效的代码，需要在中断服务程序中只做一些比较简单的操作，而把长的数据处理放在背景程序（主程序）中完成，这样既可充分利用背景程序中的等待时间，又能很好保证系统的实时性。在这3个中断子程序里，都只进行简单的操作。其中串口接收中断仅保存接收到的字符串到缓冲区，并设置标志位，为背景程序指示有串口中断发生；CAN总线接收中断也只把CAN总线的数据保存到缓冲区，并设置标志位；键盘中断只读取键值到缓冲区。在背景程序（主程序的无限循环）中，按照顺序查询每个标志位是否设置，如果检测到某个标志位设定，则执行相应的操作，否则继续往下查询。

 

四、结论

 

对于配置安全气囊的汽车，在发生碰撞事故后，需要有便携的专用设备读出气囊ECU中的黑匣子数据，便于进行事故分析。

 

由于每个生产安全气囊的厂商制定的通信规范都不一致，因此很难开发一种通用的诊断设备，作者主要针对使用CAN总线通信的气囊ECU。

 

气囊诊断仪是便携式仪表，具有通用的键盘、液晶显示屏、CPU等模块，通过CAN总线和气囊ECU实现通信，通过串口和PC实现数据共享，能够读出气囊ECU中的数据存储或者实时显示，并具有简单的数据处理功能。

 

气囊诊断仪可以作为通用的便携式CAN总线调试助手和串口调试助手使用。

 

作者针对“黑匣子局面”进行一次有益的尝试，但由于无法获取各个厂商的数据格式，所以主要使用试验室的数据格式，因此要想真正摆脱这种局面，需要得到各个厂家的配合，需要数据格式的公开、透明和标准化。

 

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