安全氣囊系統PSI5通信協議解析及仿真測試

劉全周，高繼東，楊璐

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

安全氣囊系統PSI5通信協議解析及仿真測試

劉全周，高繼東，楊璐

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

通過對安全氣囊系統PSI5通信協議進行解析，對碰撞傳感器的信號特征進行仿真。利用硬件在環仿真測試技術，模擬車輛碰撞的各種工況條件，對安全氣囊控制器的控制策略及診斷策略進行測試驗證。不僅可以對碰撞工況進行重復試驗，也大大降低了實車碰撞試驗的測試成本，是安全氣囊控制器策略研究的有效測試手段。

PSI5；安全氣囊；仿真測試

隨著中國汽車行業的蓬勃發展和汽車數量的日益增加，汽車安全問題也隨之倍受關注。安全氣囊成為轎車的標準配置之一，其控制器的開發與設計成為重中之重［1］。

PSI5協議是專門針對安全氣囊系統制定的通信協議，其中定義了安全氣囊系統中各種傳感器是怎樣進行通信以及應用層和物理層之間怎樣實現并提供相關的規格參數。PSI5協議是基于現存碰撞傳感器接口的一種開放標準，目前在數百萬的安全氣囊系統中得到驗證。PSI5通信協議為汽車傳感器提供一個可靠的、靈活的通信標準。

為了在安全氣囊控制器開發驗證過程中能夠高效簡便地對控制器進行測試，PSI5通信協議的解析與仿真是十分重要的。本文將針對PSI5通信協議進行解析與討論，并對安全氣囊控制器硬件在環仿真過程進行簡單介紹。

1 PSI5通信協議介紹

1.1 PSI5通信協議

PSI5（Peripheral sensor interface 5）是外設傳感器接口5通信協議，是由Autoliv、博世（Bosch）、大陸、飛思卡爾和TRW共同制訂的，是一種基于外設傳感器接口的開放標準。傳感器的數據可以通過雙線接口進行同步或者異步數據傳輸。而且PSI5通信協議有技術特性優和實施成本低的優點，也可適用于其他汽車傳感器的應用［1-2］。

最新的PSI5通信協議是通過一種低成本來實現高速和高可靠性的數據傳輸，主要特點有：兩線電流傳輸；曼徹斯特編碼的數據傳輸方式；可選的高速傳輸速度125 kb／s或者189 kb／s；高電磁兼容性和低功耗；可變的數據字長度（10～28位）；不同總線模式下實現同步或者異步觸發；雙向通信。

1.2 PSI5物理層

傳感器和安全氣囊控制器（下簡稱“控制器”）是通過2根硬線進行連接的，這2根線既負責供電又負責數據傳輸。控制器通過這2根硬線向傳感器發送同步脈沖電壓信號，傳感器向控制器傳輸調制電流方式的曼切斯特編碼。

控制器向傳感器發送電壓調制信號，一般有2種方式：“時間間隙”和“脈寬調制”。其中脈寬調制方式中，邏輯“0”是短脈沖，邏輯“1”是長脈沖；時間間隙方式是在規定的周期內發送一次脈沖電壓，相較脈寬調制簡單很多。傳感器向控制器發送電流信號則是通過曼徹斯特編碼的形式進行傳輸。

1.3 PSI5協議數據鏈路層

PSI5的數據傳輸格式為：2個起始位（S1和S2）、N個數據位D0～D［N-1］（N=10～28）、一個奇偶校驗位或者CRC校驗位（循環冗余校驗）。圖1為PSI5協議10位的數據傳輸格式。

圖1 PSI5協議10位的數據傳輸格式

1.4 PSI5工作模式

PSI5的工作模式可以分為同步觸發或者異步觸發2種方式，而且在最新的通信協議里面推薦了菊花鏈的工作模式，菊花鏈中也可以分為同步或者異步觸發的工作方式。

同步觸發方式是通過控制器發送一個脈沖信號來實現數據的同步觸發，然后總線上的傳感器根據事先定好的時間間隙來發送加速度數據。圖2為3個傳感器同步并行的工作方式示意圖。

圖2 3個傳感器同步并行的工作方式示意圖

2 PSI5通信協議解析

為了更好地了解和仿真PSI5通信協議，本文對某安全氣囊控制系統中的通信數據進行了解析。傳感器和控制器的通信過程主要包括初始化階段和數據傳輸階段。圖3為控制器與傳感器之間的通信示意圖。

2.1 初始化階段解析

控制器與傳感器之間的通信過程包括初始化階段和數據傳輸階段，其中初始化又分為3個階段：初始化階段一——沒有任何的數據傳輸；初始化階段二——傳輸生產廠商、生產串號、生產日期等數據；初始化階段三——傳輸傳感器狀態信息。傳感器在向控制器發送電流信號的時候，為了確保傳輸信息的準確性，傳感器會根據曼徹斯特編碼的方式，連續重復發送4次ID和本ID的具體信息。數據傳輸格式如圖4所示。

初始化階段一是控制器通過2根硬線向傳感器發送周期電壓脈沖信號，在此期間傳感器不向控制器回應任何信息。

圖3 控制器與傳感器之間的通信示意圖

圖4 數據傳輸格式

初始化階段二是控制器向傳感器發送周期電壓脈沖信號，傳感器向控制器回應13位曼徹斯特編碼的電流信號，其中傳輸了生產廠家、生產日期和生產串號等信息。本次解析對象總共有128位初始化數據，通過32個數據字分2頁進行傳輸。圖5為ID5的數據波形和曼徹斯特編碼解析。

圖5 ID5的數據波形和曼徹斯特編碼解析

在傳輸完第2階段的序列號后，傳感器開始傳輸傳感器的狀態信息。如果初始化階段的自檢通過了則發送傳感器匹配成功消息，在收到傳感器初始化成功的消息后傳感器開始傳輸加速度數據。

2.2 加速度數據傳輸階段解析

數據傳輸階段主要是以二進制的補碼形式傳輸數據，包括加速度信息以及在傳輸數據過程中傳感器的狀態信息。

2.3 傳感器異常信號解析

如果傳感器發生了錯誤，將發送14次“傳感器錯誤”消息（1F4），后面緊跟一個傳感器錯誤類型消息。發生錯誤消息后，控制器會根據錯誤類型做出相應的處理，來避免氣囊的誤爆和相應故障的提示處理。

根據解析結果與安全氣囊的相關說明相對照，證明本次測試很清楚地解析出傳感器與控制器之間的交互信息。

3 碰撞傳感器信號仿真

3.1 仿真臺架硬件

根據PSI5通信協議的格式進行碰撞傳感器信號的仿真，使得通過仿真碰撞傳感器信號實現安全氣囊控制器的半實物仿真測試。主要測試框架如圖6所示。

圖6 安全氣囊系統硬件在環測試框架圖

本次安全氣囊控制系統的硬件在環測試主要使用德國dSPACE公司的仿真板卡和機柜進行仿真測試。通過專用的PGI板卡，測試過程中不僅能夠仿真正常的傳感器信號，也能夠仿真傳感器異常信號，能夠很好地驗證控制系統的功能邏輯策略和故障注入工況。這種硬件在環測試方法避免了真實碰撞的損失和不可重復性，為安全氣囊控制器的開發驗證過程提供了更簡便高效的保證。

3.2 仿真測試軟件

本次仿真的軟件部分主要包括MatlabSimulink和dSPACE的上位機軟件ControlDesk。通過Simulink模型對各個仿真信號進行相應配置，將模型導入ControlD-esk中以便對各個信號進行仿真和采集操作，然后通過ControlDesk測試管理界面對安全氣囊進行相關測試。

在模型部分主要是針對PSI5總線的傳輸原理對碰撞傳感器進行仿真，圖7即為碰撞傳感器的部分仿真模型。

圖7 Simulink仿真模型部分

3.3 仿真測試結果

針對控制器的邏輯功能，可對不同的工況進行仿真測試。圖8為用示波器測得的2個仿真加速度信息。

圖8 2個仿真加速度

仿真車速為30 km／h行駛時的仿真碰撞加速度為-46g（圖9），此時功能策略為觸發安全氣囊引爆，控制器的碰撞輸出發生變化。

圖9 仿真加速度為-46g

為了驗證控制器的故障診斷功能，還仿真了傳感器異常信號，如傳感器的開路、短路等故障，以驗證控制器的故障處理策略。

4 結論

在安全氣囊控制器開發的過程中，如果采用實車碰撞試驗則會有較大的開發成本，所以為了準確驗證控制器的算法，硬件在環測試方法很有必要。PSI5通信協議是當前安全氣囊控制器較為普遍的一種通信協議。本文通過對PSI5總線的解析，能夠更好理解控制器與傳感器之間的傳輸機制，從而使用dSPACE的硬件在環測試平臺來實現傳感器與控制器之間的仿真測試。仿真過程中不僅能夠實現正常信號的仿真，而且能仿真傳感器異常信號驗證控制器的故障注入功能，從而滿足控制器在開發過程中的測試要求。

［1］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產品［J］.電子產品世界，2010（6）：81-82.

［2］彭德清.汽車安全氣囊誤用的測試方法研究［D］.長春：吉林大學，2011.

［3］楊志邦.汽車安全氣囊控制器測試驗證平臺設計與實現［J］.計算機工程與應用，2011（27）：65-68.

［4］葉衛東.安全氣囊控制器自動測試系統的設計與研究［J］.計算機測量與控制，2008（4）：467-475.

［5］董亮.汽車安全氣囊控制器檢測設備的研究與設計［D］.蘇州：蘇州大學，2014.

（編輯楊景）

Analysis and Simulation Testing of SRS PSI5 Protocol

LIU Quan-zhou，GAO Ji-dong，YANG Lu
（China Automotive Technology&Research Center，Tianjin 300300，China）

Through analyzing the airbag system PSI5 communication protocol，the article simulates the signal of crash sensor.Using the method of hardware in the loop，simulates various working conditions of vehicle collision to test and validate the airbag system control and diagnostic strategy.This method not only realizes collision test replication，but also significantly reduces the cost of real vehicle collision test.Therefore，this is an effective test method forresearch of airbag system control strategy.

PSI5；airbag system；simulation test

U463.6

A

1003－8639（2017）01－0049－03

2016-10-10；

2016-11-23

劉全周（1977-），男，山西運城人，高級工程師，碩士，研究方向為汽車電子硬件在環仿真測試。