《电子技术应用》

PSI5异步通信传感器的硬件在环仿真

2016年电子技术应用第12期
陈同山,朱群峰,方 治
(高田(上海)汽车安全系统研发有限公司,上海201707)
摘要: 随着汽车电子产品的发展,车辆传感器的使用也在不断增加。基于PSI5的新型传感器由于使用方便、执行成本低,成为汽车级传感器通信的新宠。然而,在产品开发阶段,如何针对这一类传感器进行验证成为新的课题。基于DSPIC33FJ128GP706的仿真器,设计了模拟飞思卡尔加速度传感器MMA5124LWR2的PSI5异步通信并通过验证,实现了该类传感器的硬件在环仿真。
中图分类号: TN915;TP337
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.012
中文引用格式: 陈同山,朱群峰,方治. PSI5异步通信传感器的硬件在环仿真[J].电子技术应用,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.

HIL of PIS5 asynchronous communication sensor

Chen Tongshan,Zhu Qunfeng,Fang Zhi
(Takata(Shanghai) Vehicle Safety Systems Technical Center Co.,Ltd.,Shanghai 201707,China)
Abstract: 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.

0 引言

    在安全气囊控制模块(ACU)的开发过程中,加速度传感器是安全气囊起爆的输入信号,但由于这类加速度传感器都是IC封装,测试时只能通过实际的碰撞验证ACU的起爆性能。而受实车碰撞的成本高、周期长、操作复杂等因素制约, 使得利用最终的实车碰撞来标定ACU算法成为不可能。同时,加速度传感器在生成制造过程中同样有很多失效形式,而在加速度传感器上又无法模拟其内部故障,因此如何验证ACU在其失效时是否能提醒驾驶员及时维修/更换产品,避免功能失效导致的安全问题同样是重中之重。

    鉴于以上原因,针对加速度传感器的硬件仿真是解决上述问题的唯一途径。在硬件仿真测试过程中,由于碰撞信号、加速度数据、寄存器状态等都是可配置的,因此具有操作简单、一致性高、成本低等优点。

    本文以飞思卡尔的PSI5加速度传感器MMA5124LWR2为例,利用单片机模拟加速度信号与ACU进行数据交互。配置文件(包含传感器初始化信息、寄存器信息、是否模拟故障等)及加速度信息通过CAN接口预植入到单片机内部,通过触发方式模拟碰撞产生,发送碰撞时的加速度信号。采用此种方式可实现基本的数据通信以及碰撞模拟、故障注入等功能,可以代替传统的实车验证来标定算法、验证软件鲁棒性等功能。

1 PSI5通信简介

    PSI5(Peripheral Sensor Interface)最早由博世、奥托利夫、大陆集团成立的“PSI5委员会”联合开发,专门用于安全气囊加速度传感器的通信。由于PSI5是已经在数以百万计的安全气囊控制系统中验证的开放标准,其低成本易应用的技术特点使PSI5也适用于其他的汽车传感器。

    PSI5采用两线供电的传感器和数据传输。安全气囊控制模块给传感器提供电压,从传感器到ACU的数据通过对电源线的电流调制进行传输。

    数据传输采用Manchester编码,电流下降表示逻辑“0”,电流上升表示逻辑“1”。每一帧数据由2 bit起始位、10~20 bit数据位、1 bit奇偶校验位或3 bit CRC校验位组成[1]。单帧数据结构如图1所示。

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2 硬件在环仿真系统介绍

    硬件在环仿真是指被仿真环境中存在实物硬件的实时动态仿真技术。仿真环境不仅需要数据输入、输出测试,还要进行信号模拟、故障注入、时序控制等复杂工作。信号发生器的信号源无法满足需求,而在实际产品上测试存在费用高、时间长、条件不确定等因素,导致实际无法执行测试。随着计算机技术的发展,开始使用硬件在环仿真技术进行控制系统软硬件的开发和测试[2-4]

    在ACU的开发过程中,加速度传感器作为气囊起爆与否的输入信号,任何差错都可能导致严重后果。对加速度传感器进行仿真,可以模拟整车碰撞实验,降低实验费用,同时可在软件开发期间进行故障注入测试,有效地缩短产品开发周期,提前发现问题,控制产品风险。

3 硬件设计

    (1)微控制器单元

    DSPIC33FJ128GP706是Microchip公司推出的高性能16位数字信号控制器,带有128 KB的Flash存储器和16 KB的在片RAM,可存储超过1 s的模拟加速度数据;DSP的DMA指令可实现快速数据处理,节省测试时间;利用其高速CAN接口可实现外部快速配置;片上AD接口用于传感器供电电压的检测。基于这些特殊性能,可实现复杂的系统需求。

    (2)上位机接口

    系统采用高速CAN连接上位机,波特率为500 K,数据长度8 B。假设待传输的加速度数据最大为2 KB,数据帧发送周期为10 ms,则发送所有数据所需要的时间约为2.56 s,在设计允许范围内。同时在仿真传感器运行时,上位机可通过CAN接口进行故障注入的设置。

    (3)AD接口单元

    使用MCU自带AD接口,实时监控ECU提供的电压,当电压大于5.5 V时,表示系统已经为模拟传感器供电,开始进入传感器初始化阶段。

    (4)外部触发

    通过外部触发功能,用于模拟碰撞的零时刻。当触发信号翻转时,表示车辆发生了猛烈的撞击,此时将预置在模拟器中的加速度数据通过PSI5接口发送给ACU,就可以实现碰撞的模拟。这种碰撞持续时间短,一般只有几百毫秒,利用单片机的RAM存储碰撞加速度信息可以实现快速读取。从碰撞的产生到发送碰撞加速度,最大延时为250 μs(即一个PSI5发送周期)。

    (5)ACU连接单元

    由于PSI5通信数据由电流信号以Manchester编码方式进行传输,MCU输出信号为电压信号,无法直接被ACU识别,因此需要将MCU输出信号作为控制端,当电平变化时,对应负载不同,以达到电流变化的目的。

    与ACU的连接,可以使用I/O口来调整传感器电源线的电流,但I/O口对MCU资源占用太高,稳定性差,因此采用MCU的SPI接口,工作在主模式,所用的信号线为SCK、MOSI。

    从PSI5的数据帧格式来看,PSI5每一位都对应高低两个电平的变化才能实现,因此SPI速率应为PSI5通信速率的2倍。由于MOSI的信号电平在空闲状态时不可控,因此增加了4个串入串出的8位移位寄存器SN74LV166AD,用SPI的SCK信号线来驱动移位寄存器,实现32位SPI信号的发送。

    ACU连接部分电路如图2所示。

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4 软件设计

    待模拟的MMA5124LWR2的PIS5通信方式为125 kb/s异步通信,加速度数据输出速率为250 μs,上电初始化完成后,持续发送加速度数据给ACU[5]。初始化和发送加速度数据都是通过PSI5通信完成。传感器初始化执行过程如图3所示[6]

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    从芯片的说明手册可以得知,该芯片在上电后和ACU的FILC芯片只有PSI5通信数据的交互,因此若要模拟其功能,只需要在上电后持续发送指定的PSI5数据就可以实现其基本功能的仿真。在仿真环境中,ACU的FLIC芯片提供传感器供电电压,仿真器供电由外部电源控制。仿真器上电后,首先通过CAN消息指定待发的PSI5数据,当检测到FLIC芯片提供传感器电压后,将预设的PSI5数据发出即可。

    需要注意的是,由于移位寄存器的锁存特性,每次发送的PSI5数据会在第二个32位SCK下发送。根据这一硬件特性,在传感器上电后,除了需要清楚移位寄存器的数据外,还需要预发第一帧SPI数据。当第二帧SPI数据发送时,第一帧数据才从移位寄存器移出。

    在作硬件在环时,除了正确模拟传感器工作之外,还需要设置模拟传感器的各种工作情况,如碰撞时加速度信号以及各种错误情况和报告寄存器值错误、通信错误、数据错误等。在该应用项目中,只需要通过DSPIC33FJ128GP706的CAN通信配置相应软件参数即可实现,由于CAN的速率高,且DSP存储数据可以采用DMA方式传输,因此可以实现快速配置。

    软件实现过程如图4所示。

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5 系统验证

    仿真测试时,需要将原有加速度芯片移除,用仿真设备连接至ACU电路中,同时ACU需要具备诊断功能,可以检测到传感器不通信的故障。

    对硬件在环仿真测试系统的验证主要从两方面入手:(1)如果脱离硬件仿真平台后,被测产品无法正确运行,当被测产品运行在仿真环境下,仿真信号和实际信号匹配,应能做到正确无故障运行;(2)执行仿真测试时,导入仿真数据,被测产品能够按照预期目标执行,同时仿真数据与ACU监控到的加速度数据要保持一致。

    仿真信号的示波器截图如图5所示。从该图中可以看出,PSI5信号非常完整,并能被ACU正常识别,同时可以方便地通过控制SPI信号模拟各种信号故障,如起始位错误、校验位错误、数据错误等,从而验证安全气囊控制模块的鲁棒性。

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    在ACU算法开发过程中,该模拟器可模拟实际碰撞时产生的加速度信号,使ACU认为处于碰撞环境中,从而验证算法的开发,为后续碰撞实验节约大量的宝贵资源。

6 结论

    本模拟传感器实现了加速度传感器的基本功能,并可实现故障注入、碰撞模拟等特殊功能。从实际仿真效果来看,各项性能指标均达到设计要求,并且运行平稳,目前已成功应用于高田ACU的研发和测试中。

参考文献

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

[2] 张永刚,刘志峰.硬件在环仿真技术在汽车安全气囊电子控制系统中的运用[J].电子技术与软件工程,2014(24):251-255.

[3] 吴伟斌,洪添胜,李震,等.基于虚拟仪器技术的汽油发动机ECU仿真测试系统[J].微计算机信息,2006(8):205-208.

[4] 朱辉,王丽清.硬件在环仿真在汽车控制系统开发中的应用[J].汽车技术,1998(12):7-9.

[5] 飞思卡尔半导体(中国)有限公司.飞思卡尔推出符合PSI5标准的汽车气囊系统产品[J].电子产品世界,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.

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