發布日期：2022-07-14 點擊率：37
經過二十多年的發展,一些中高端汽車中安全氣囊已經遠遠不止駕駛員和副駕駛雙氣囊以及相應位置的安全帶預緊裝置,側氣囊,后排乘客氣囊,膝部氣囊,簾式氣囊等等,通常會有八氣囊、十二氣囊甚至更多；氣囊系統的功能也越來越復雜,常見的有如發現駕駛員未系安全帶或前排副駕駛座位上有乘客,而乘客并未系安全帶,則發出提醒；一般的功能還有占位檢測,即通過傳感器判斷某個座位上是否有乘客,當發生碰撞時,無乘客的座位相應的氣囊則不會彈出；有些氣囊系統甚至能通過測量座位上乘客體重來相應調整氣囊彈出的壓力,為乘客提供更好的保護；同樣,氣囊的彈出算法也是越來越復雜,依據碰撞的類型會有不同的氣囊彈出,而且彈出時間也不同。這些不同的碰撞可能是正面碰撞,側面碰撞或角碰撞甚至翻滾。當然感應這些不同的碰撞需要不同方向的、位于不同位置的加速度傳感器或壓力傳感器,將來可能還會用轉角傳感器來采集信號,然后通過ECU(電控單元)計算判斷后彈開相應的氣囊。系統功能越來越復雜,這使得整個系統的傳感器數量變得可觀,這些傳感器分布在汽車的四周,根據傳感器和ECU連接的不同的方式,主要分為集中式控制架構和分布式控制架構。
系統控制架構
集中式控制架構是指分布在車身四周的傳感器和ECU采用點對點連接(如圖1),這種結構非常適合中低復雜程度的氣囊系統,ECU直接連接遠端的傳感器,成本較低,,元器件個數較少,供電簡單,程序控制起來也較容易。但對于較復雜系統來說,這種結構會帶來傳感器接口復雜,布線成本增加,無法擴展等問題。分布式控制架構是指通過專用總線將周邊傳感器連接起來(如圖2),它的優點是:對于一個較復雜系統,可以減少布線,更改系統只需要改變節點的配置和數量,方便擴展。例如:通過一條總線將2個傳感器串起來工作,而增加成3個傳感器僅需在總線上多串一個節點,這使系統構建和變更起來更加靈活。同時也有不少開放的總線協議和集成芯片支持這種結構如:PSI5、DSI BUS等,這使使用起來很方便。
圖1:安全氣囊集中式控制架構。
圖2:安全氣囊分布式控制架構。
不同安全氣囊系統中,可能會有很多種不同器件被連在網絡中,有時,這些器件可能是由供應商直接提供給車廠進行安裝的。因此,上電時,系統自動給網絡節點分配地址的功能會有效降低氣囊安裝成本；而且,要通過簡單的方法就可識別遠程的器件,這些器件需是智能的和可編程的；同時,安全氣囊系統對可靠性要求很高,當線束短路,開路以及信號傳輸錯誤等出現時,系統要求不能被損壞或完全癱瘓；并且系統需具有故障自檢功能,并有良好的EMC特性,`DSI BUS(Distributed System Interface BUS),其2.0版本又被稱為DBUS,是由天合(TRW)公司和飛思卡爾公司共同建立,作為一種針對于安全氣囊系統開發的公開的總線協議,目前,已經被許多車廠和零部件供應商采用。它只需兩根線就可實現較低成本,高可靠性,適合的通訊速度(最高可達到150Kbps),這而且兩根通訊線在總線空閑時還為Slave節點提供供電,并且Slave節點無需振蕩器為通訊提供時鐘。當系統以菊花鏈方式或并聯方式連接,DSI BUS既實現了分布式控制安全氣囊系統,當DSI BUS每通道只連接一個結點,也可用于實現集中式控制安全氣囊結構。
在DSI BUS中,通過循環冗余校驗(CRC)和遠程自我診斷保證了系統的高可靠性。由于主節點發出命令,傳遞總線能量,從節點命令響應都在同一時間完成,這樣就在一定的通訊速度下,實現了高信號密度。
圖3:DSI BUS連接方式。
DSI BUS的物理層
整個網絡為兩線制,Slave節點和總線可以用菊花鏈或并聯方式相聯。當Slave節點以菊花鏈形式連接,總線上電時需逐一配置Slave地址。如以并聯方式連接,Slave節點則需要事先配置好地址再與總線相連。每個DSI BUS最多可以接15個Slave節點,當整個系統較復雜時可使用多條DSI BUS總線。
DSI BUS的編碼方式
在DSI BUS中,數據從Master節點到Slave節點使用電壓傳遞模式,數據從Slave節點到Master節點使用電流傳遞模式。DSI BUS的電壓傳遞模式編碼比較獨特,將每位的傳遞時間分為三份,每一位的前2/3為低電平,后1/3為高電平表邏輯0,每一位的前1/3為低電平,后2/3為高電平表邏輯1。例:圖4為通過DSI BUS發送了短指令字0x18。
DSI BUS的數據鏈路層
DSI BUS中每幀數據為一條命令,數據為全雙工,既Master發出命令,同時,Slave響應,Slave對當前命令的響應會在下條命令發出時返回。命令分長字命令和短字命令兩種,長命令字有效數據為16位和0-8位CRC校驗,短命令字為8-15位有效數據和0-8位CRC校驗。圖4為1條短命令字,8位的有效數據為0x18和4位的CRC校驗碼。
DSI BUS的地址分配
DSI BUS中,Slave節點地址共4位二進制碼,從0001到1111,因此,每個DSI BUS最多接15個Slave節點,當命令字中地址為0000時,為向所有Slave節點同時發出命令。
對Slave節點分配地址的方式有兩種,一種是系統中所有節點接成菊花鏈形式,當系統上電后,Master逐一對Slave分配地址,這種稱為可編程方式(Programmable)。另一種是預編程方式(PRE Programmed),既從節點器件在接入DSI BUS前預先編好地址。在支持DSI BUS的Slave器件中,有一個作用于電源和信號線的開關,對于預編程的器件,上電時器件的開關是斷開的,因為第一個Slave的開關是斷開的,所以總線上數據只能到達第一個Slave器件,當Master發出初始化命令初始化第一個地址并閉合開關后,總線數據便能到達第二個Slave器件,再同樣對第二個Slave節點初始化。以此類推,直至每一個Slave器件都被設定地址后,總線上Slave節點才開始工作。
DSI BUS的命令
不論是長字命令還是短字命令,DSI BUS的命令字只有4位,因此共有0000-1111共16條命令,無論節點上的設備的是傳感器還是開關量輸入或輸出,總線都是通過這些命令來定義或控制這些節點。所有總線上的節點(Slave內部開關閉合情況下)都會對這些命令解碼并響應相應的命令。
如0000命令既初始化命令,它用于為可編程方式的節點設定地址,同時還可以通過這條指令控制內部有開關的從節點內的開關打開或閉合。
傳感器信號和如安全帶是否扣好等一些開關量信號都可以通過DSI BUS傳遞給ECU板,同時ECU板還可以通過DSI BUS傳遞一些控制信號,如實現傳感器的自檢測功能的操作,點亮LED燈等。同時,ECU板通過DSI BUS也為從節點設備如傳感器提供了供電,有效減少了氣囊系統的布線,提高了系統可靠性。
DSI BUS作為氣囊的專用總線具有很好可靠性。通過CRC校驗,DSI BUS可以避免由信號傳輸錯誤造成的誤動作；當信號線出現斷路時,DSI BUS的器件并不會因此損壞,并且可通過對Slave器件中開關進行操作,斷開發生問題的部分,使總線連接正常的部分工作；甚至可以通過兩個Master(另一個作為備用)分別連接在一條總線的兩端,這樣即使信號線上一點出現問題,一個Master因此不能控制所有的Slave節點,DSI BUS仍能通過另一個備用Master控制剩余的節點；一些Master的接口芯片(如飛思卡爾的MC33780)還支持差分信號輸出(圖4)和具有頻譜延展功能,這樣可以有效降低總線的EMI(電磁干擾)。
圖4:DSI BUS的短命令字0x18。
總之,隨著安全氣囊系統復雜性的提高,分布式控制安全氣囊系統越來越普及,DSI BUS作為安全氣囊系統的專用解決方案,既可以應用于系統架構較復雜的分布式控制氣囊結構,同時,也適用于系統架構較簡單的集中式控制氣囊結構,既可以每個節點使用預編程方式,在組裝前進行地址編程,也可以使用可編程方式,在系統安裝后進行地址編程。使用DSI BUS可以使系統非常方便拓展或更改,節約布線成本,降低系統復雜性,增強系統可靠性,并對降低系統EMI特性有顯著效果。
作者:張鑫
系統應用工程師
飛思卡爾(中國)有限公司
