文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.012
中文引用格式： 陳同山,，朱群峰，方治. PSI5異步通信傳感器的硬件在環(huán)仿真[J].電子技術應用,，2016,，42(12)：48-50.
英文引用格式： Chen Tongshan，Zhu Qunfeng,，Fang Zhi. HIL of PIS5 asynchronous communication sensor[J].Application of Electronic Technique,，2016,，42(12)：48-50.
0 引言
在安全氣囊控制模塊（ACU）的開發(fā)過程中，加速度傳感器是安全氣囊起爆的輸入信號,，但由于這類加速度傳感器都是IC封裝,，測試時只能通過實際的碰撞驗證ACU的起爆性能。而受實車碰撞的成本高,、周期長,、操作復雜等因素制約， 使得利用最終的實車碰撞來標定ACU算法成為不可能,。同時,，加速度傳感器在生成制造過程中同樣有很多失效形式，而在加速度傳感器上又無法模擬其內部故障,，因此如何驗證ACU在其失效時是否能提醒駕駛員及時維修/更換產品,，避免功能失效導致的安全問題同樣是重中之重。
鑒于以上原因,，針對加速度傳感器的硬件仿真是解決上述問題的唯一途徑,。在硬件仿真測試過程中，由于碰撞信號,、加速度數據,、寄存器狀態(tài)等都是可配置的，因此具有操作簡單,、一致性高,、成本低等優(yōu)點。
本文以飛思卡爾的PSI5加速度傳感器MMA5124LWR2為例,，利用單片機模擬加速度信號與ACU進行數據交互,。配置文件(包含傳感器初始化信息、寄存器信息,、是否模擬故障等)及加速度信息通過CAN接口預植入到單片機內部,，通過觸發(fā)方式模擬碰撞產生，發(fā)送碰撞時的加速度信號,。采用此種方式可實現基本的數據通信以及碰撞模擬,、故障注入等功能,，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實車驗證來標定算法、驗證軟件魯棒性等功能,。
1 PSI5通信簡介
PSI5（Peripheral Sensor Interface）最早由博世,、奧托利夫、大陸集團成立的“PSI5委員會”聯合開發(fā),，專門用于安全氣囊加速度傳感器的通信,。由于PSI5是已經在數以百萬計的安全氣囊控制系統(tǒng)中驗證的開放標準，其低成本易應用的技術特點使PSI5也適用于其他的汽車傳感器,。
PSI5采用兩線供電的傳感器和數據傳輸,。安全氣囊控制模塊給傳感器提供電壓，從傳感器到ACU的數據通過對電源線的電流調制進行傳輸,。
數據傳輸采用Manchester編碼,，電流下降表示邏輯“0”，電流上升表示邏輯“1”,。每一幀數據由2 bit起始位,、10～20 bit數據位、1 bit奇偶校驗位或3 bit CRC校驗位組成[1],。單幀數據結構如圖1所示,。
2 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)介紹
硬件在環(huán)仿真是指被仿真環(huán)境中存在實物硬件的實時動態(tài)仿真技術。仿真環(huán)境不僅需要數據輸入,、輸出測試,，還要進行信號模擬、故障注入,、時序控制等復雜工作,。信號發(fā)生器的信號源無法滿足需求，而在實際產品上測試存在費用高,、時間長,、條件不確定等因素，導致實際無法執(zhí)行測試,。隨著計算機技術的發(fā)展,，開始使用硬件在環(huán)仿真技術進行控制系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)和測試[2-4]。
在ACU的開發(fā)過程中,，加速度傳感器作為氣囊起爆與否的輸入信號,，任何差錯都可能導致嚴重后果。對加速度傳感器進行仿真,，可以模擬整車碰撞實驗,，降低實驗費用，同時可在軟件開發(fā)期間進行故障注入測試，有效地縮短產品開發(fā)周期,，提前發(fā)現問題,，控制產品風險。
3 硬件設計
(1)微控制器單元
DSPIC33FJ128GP706是Microchip公司推出的高性能16位數字信號控制器,，帶有128 KB的Flash存儲器和16 KB的在片RAM,，可存儲超過1 s的模擬加速度數據；DSP的DMA指令可實現快速數據處理,，節(jié)省測試時間,；利用其高速CAN接口可實現外部快速配置；片上AD接口用于傳感器供電電壓的檢測,?；谶@些特殊性能,，可實現復雜的系統(tǒng)需求,。
(2)上位機接口
系統(tǒng)采用高速CAN連接上位機，波特率為500 K,，數據長度8 B,。假設待傳輸的加速度數據最大為2 KB，數據幀發(fā)送周期為10 ms,，則發(fā)送所有數據所需要的時間約為2.56 s,，在設計允許范圍內。同時在仿真?zhèn)鞲衅鬟\行時,，上位機可通過CAN接口進行故障注入的設置,。
(3)AD接口單元
使用MCU自帶AD接口，實時監(jiān)控ECU提供的電壓,，當電壓大于5.5 V時,，表示系統(tǒng)已經為模擬傳感器供電，開始進入傳感器初始化階段,。
(4)外部觸發(fā)
通過外部觸發(fā)功能,，用于模擬碰撞的零時刻。當觸發(fā)信號翻轉時,，表示車輛發(fā)生了猛烈的撞擊,，此時將預置在模擬器中的加速度數據通過PSI5接口發(fā)送給ACU，就可以實現碰撞的模擬,。這種碰撞持續(xù)時間短,，一般只有幾百毫秒，利用單片機的RAM存儲碰撞加速度信息可以實現快速讀取,。從碰撞的產生到發(fā)送碰撞加速度,，最大延時為250 μs（即一個PSI5發(fā)送周期）。
(5)ACU連接單元
由于PSI5通信數據由電流信號以Manchester編碼方式進行傳輸，MCU輸出信號為電壓信號,，無法直接被ACU識別,，因此需要將MCU輸出信號作為控制端，當電平變化時,，對應負載不同,，以達到電流變化的目的。
與ACU的連接,，可以使用I/O口來調整傳感器電源線的電流,，但I/O口對MCU資源占用太高，穩(wěn)定性差,，因此采用MCU的SPI接口,，工作在主模式，所用的信號線為SCK,、MOSI,。
從PSI5的數據幀格式來看，PSI5每一位都對應高低兩個電平的變化才能實現,，因此SPI速率應為PSI5通信速率的2倍,。由于MOSI的信號電平在空閑狀態(tài)時不可控，因此增加了4個串入串出的8位移位寄存器SN74LV166AD,，用SPI的SCK信號線來驅動移位寄存器,，實現32位SPI信號的發(fā)送。
ACU連接部分電路如圖2所示,。
4 軟件設計
待模擬的MMA5124LWR2的PIS5通信方式為125 kb/s異步通信,，加速度數據輸出速率為250 μs，上電初始化完成后,，持續(xù)發(fā)送加速度數據給ACU[5],。初始化和發(fā)送加速度數據都是通過PSI5通信完成。傳感器初始化執(zhí)行過程如圖3所示[6],。
從芯片的說明手冊可以得知,，該芯片在上電后和ACU的FILC芯片只有PSI5通信數據的交互，因此若要模擬其功能,，只需要在上電后持續(xù)發(fā)送指定的PSI5數據就可以實現其基本功能的仿真,。在仿真環(huán)境中，ACU的FLIC芯片提供傳感器供電電壓,，仿真器供電由外部電源控制,。仿真器上電后，首先通過CAN消息指定待發(fā)的PSI5數據,，當檢測到FLIC芯片提供傳感器電壓后,，將預設的PSI5數據發(fā)出即可。
需要注意的是，由于移位寄存器的鎖存特性,，每次發(fā)送的PSI5數據會在第二個32位SCK下發(fā)送,。根據這一硬件特性，在傳感器上電后,，除了需要清楚移位寄存器的數據外,，還需要預發(fā)第一幀SPI數據。當第二幀SPI數據發(fā)送時,，第一幀數據才從移位寄存器移出,。
在作硬件在環(huán)時，除了正確模擬傳感器工作之外,，還需要設置模擬傳感器的各種工作情況,，如碰撞時加速度信號以及各種錯誤情況和報告寄存器值錯誤、通信錯誤,、數據錯誤等,。在該應用項目中，只需要通過DSPIC33FJ128GP706的CAN通信配置相應軟件參數即可實現,，由于CAN的速率高,，且DSP存儲數據可以采用DMA方式傳輸,，因此可以實現快速配置,。
軟件實現過程如圖4所示。
5 系統(tǒng)驗證
仿真測試時,，需要將原有加速度芯片移除,，用仿真設備連接至ACU電路中，同時ACU需要具備診斷功能,，可以檢測到傳感器不通信的故障,。
對硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)的驗證主要從兩方面入手：(1)如果脫離硬件仿真平臺后，被測產品無法正確運行,，當被測產品運行在仿真環(huán)境下,，仿真信號和實際信號匹配，應能做到正確無故障運行,；(2)執(zhí)行仿真測試時,，導入仿真數據，被測產品能夠按照預期目標執(zhí)行,，同時仿真數據與ACU監(jiān)控到的加速度數據要保持一致,。
仿真信號的示波器截圖如圖5所示。從該圖中可以看出,，PSI5信號非常完整,，并能被ACU正常識別，同時可以方便地通過控制SPI信號模擬各種信號故障，如起始位錯誤,、校驗位錯誤,、數據錯誤等，從而驗證安全氣囊控制模塊的魯棒性,。
在ACU算法開發(fā)過程中,，該模擬器可模擬實際碰撞時產生的加速度信號，使ACU認為處于碰撞環(huán)境中,，從而驗證算法的開發(fā),，為后續(xù)碰撞實驗節(jié)約大量的寶貴資源。
6 結論
本模擬傳感器實現了加速度傳感器的基本功能,，并可實現故障注入,、碰撞模擬等特殊功能。從實際仿真效果來看,，各項性能指標均達到設計要求,，并且運行平穩(wěn)，目前已成功應用于高田ACU的研發(fā)和測試中,。
參考文獻
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