PSI5異步通信傳感器的硬件在環(huán)仿真

陳同山，朱群峰，方 治

（高田（上海）汽車安全系統(tǒng)研發(fā)有限公司，上海 201707）

PSI5異步通信傳感器的硬件在環(huán)仿真

陳同山，朱群峰，方 治

（高田（上海）汽車安全系統(tǒng)研發(fā)有限公司，上海 201707）

隨著汽車電子產(chǎn)品的發(fā)展，車輛傳感器的使用也在不斷增加?；赑SI5的新型傳感器由于使用方便、執(zhí)行成本低，成為汽車級傳感器通信的新寵。然而，在產(chǎn)品開發(fā)階段，如何針對這一類傳感器進行驗證成為新的課題?；贒SPIC33FJ128GP706的仿真器，設計了模擬飛思卡爾加速度傳感器MMA5124LWR2的PSI5異步通信并通過驗證，實現(xiàn)了該類傳感器的硬件在環(huán)仿真。

PSI5；傳感器；硬件在環(huán)；仿真

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(nèi)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(chǎn)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(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)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(nèi)部，通過觸發(fā)方式模擬碰撞產(chǎn)生，發(fā)送碰撞時的加速度信號。采用此種方式可實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)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(lián)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(jīng)在數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通過對電源線的電流調(diào)制進行傳輸。

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)由 2 bit起始位、10～20 bit數(shù)據(jù)位、1 bit奇偶校驗位或3 bit CRC校驗位組成[1]。單幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(shù)。仿真環(huán)境不僅需要數(shù)據(jù)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(chǎn)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(shù)的發(fā)展，開始使用硬件在環(huán)仿真技術(shù)進行控制系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)和測試[2-4]。

圖1 PSI5數(shù)據(jù)幀格式

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(chǎn)品開發(fā)周期，提前發(fā)現(xiàn)問題，控制產(chǎn)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(shù)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(shù)據(jù)；DSP的 DMA指令可實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)處理，節(jié)省測試時間；利用其高速CAN接口可實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)長度8 B。假設待傳輸?shù)募铀俣葦?shù)據(jù)最大為 2 KB，數(shù)據(jù)幀發(fā)送周期為10 ms，則發(fā)送所有數(shù)據(jù)所需要的時間約為 2.56 s，在設計允許范圍內(nèi)。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(jīng)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)通過PSI5接口發(fā)送給ACU，就可以實現(xiàn)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(xiàn)快速讀取。從碰撞的產(chǎn)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(shù)據(jù)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(diào)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(shù)據(jù)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(xiàn)，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(qū)動移位寄存器，實現(xiàn)32位SPI信號的發(fā)送。

ACU連接部分電路如圖2所示。

圖2 ACU連接PSI5電路

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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)給 ACU[5]。初始化和發(fā)送加速度數(shù)據(jù)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]。

圖3 MMA5124LWR2初始化過程圖

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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)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(shù)據(jù)，當檢測到 FLIC芯片提供傳感器電壓后，將預設的PSI5數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)會在第二個32位SCK下發(fā)送。根據(jù)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(shù)據(jù)外，還需要預發(fā)第一幀SPI數(shù)據(jù)。當?shù)诙琒PI數(shù)據(jù)發(fā)送時，第一幀數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)即可實現(xiàn)，由于CAN的速率高，且DSP存儲數(shù)據(jù)可以采用DMA方式傳輸，因此可以實現(xiàn)快速配置。

軟件實現(xiàn)過程如圖4所示。

圖4 仿真器程序框圖

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(chǎn)品無法正確運行，當被測產(chǎn)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(shù)據(jù)，被測產(chǎn)品能夠按照預期目標執(zhí)行，同時仿真數(shù)據(jù)與ACU監(jiān)控到的加速度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)錯誤等，從而驗證安全氣囊控制模塊的魯棒性。

圖5 仿真數(shù)據(jù)示波器截圖

在ACU算法開發(fā)過程中，該模擬器可模擬實際碰撞時產(chǎn)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(jié)論

本模擬傳感器實現(xiàn)了加速度傳感器的基本功能，并可實現(xiàn)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。

[1]PSI5 Steering Committee.Peripheral sensor interface for automotive applications[DB/OL].(2012-08-10)[2016-07-05].http://psi5.org/specification/.

[2]張永剛，劉志峰.硬件在環(huán)仿真技術(shù)在汽車安全氣囊電子控制系統(tǒng)中的運用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014(24)：251-255.

[3]吳偉斌，洪添勝，李震，等．基于虛擬儀器技術(shù)的汽油發(fā)動機 ECU仿真測試系統(tǒng)[J]．微計算機信息，2006(8)：205-208.

[4]朱輝，王麗清.硬件在環(huán)仿真在汽車控制系統(tǒng)開發(fā)中的應用[J].汽車技術(shù)，1998(12)：7-9.

[5]飛思卡爾半導體(中國)有限公司.飛思卡爾推出符合PSI5標準的汽車氣囊系統(tǒng)產(chǎn)品[J].電子產(chǎn)品世界，2010，17 (6)：27-27.

[6]Freescale.PSI5 inertial sensor[DB/OL].(2016-04-12) [2016-07-05].http://cache.nxp.com/files/sensors/doc/data_sheet/MMA51xxLW.pdf.

HIL of PIS5 asynchronous communication sensor

Chen Tongshan，Zhu Qunfeng，F(xiàn)ang Zhi
（Takata(Shanghai)Vehicle Safety Systems Technical Center Co.，Ltd.，Shanghai 201707，China）

With the development of automotive electronics,the sensor in vehicle is also increasing.The newest sensor based on PSI5 with flexible use and lowest possible implementation costs becomes popular in vehicle sensor communication.But,during the production development phase,how to verify it becomes a new topic.Simulator based on DSPIC33FJ128GP706 is designed,wich simulates the PSI5 communication of Freescale accelerometer sensor MMA5214LWR2,achieving the HIL(Hardware in loop simulator)of this sensor.

PSI5；sensor；HIL；simulation

TN915；TP337

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.012

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(shù)應用，2016，42(12)：48-50.

英文引用格式：Chen Tongshan，Zhu Qunfeng，F(xiàn)ang Zhi.HIL of PIS5 asynchronous communication sensor[J].Application of Electronic Technique，2016，42(12)：48-50.

2016-07-05)

陳同山(1985-)，通信作者，男，技術(shù)經(jīng)理，主要研究方向：汽車電子測試，E-mail：cyscts@126.com。

朱群峰(1978-)，男，碩士，主要研究方向：汽車電子。

方治(1977-)，男，碩士，主要研究方向：汽車電子。