基于超聲原理的輪胎漏氣檢測系統設計

隨著(zhù)我國轎車(chē)工業(yè)的發(fā)展，轎車(chē)越來(lái)越普及。由于各種原因，轎車(chē)在行駛過(guò)程中，經(jīng)常會(huì )發(fā)生輪胎漏氣的現象。如果不及時(shí)檢測發(fā)現，輕則耽誤行程，重則造成事故；因此，設計一種檢測輪胎漏氣系統對于提高轎車(chē)行駛的安全性有著(zhù)非常重要的意義。筆者采用美國TI公司的DSPTMS320LF240X微處理器芯片，根據輪胎漏氣產(chǎn)生超聲波的原理，設計了一種轎車(chē)輪胎漏氣檢測系統。

1 檢測原理
轎車(chē)輪胎類(lèi)似一個(gè)充滿(mǎn)氣體的容器。當其內部壓強大于外部壓強時(shí)，由于內外壓差較大，一旦容器有漏孔(漏孔可以是扎破的小孔或者氣門(mén))，氣體就會(huì )從漏孔沖出。當漏孔尺寸較小且雷諾數較高時(shí)，沖出的氣體就會(huì )形成湍流。湍流在漏孔附近會(huì )產(chǎn)生一定頻率的聲波，如圖l所示。聲波振動(dòng)的頻率與漏孔的大小有關(guān)。漏孔較大時(shí)，人耳可聽(tīng)到漏氣聲；漏孔很小且聲波頻率高于20kHz時(shí)，人耳就聽(tīng)不到了。但它們能在空氣中傳播，這種渡被稱(chēng)作空載超聲波。超聲波是高頻短波信號，其強度隨著(zhù)離開(kāi)聲源(漏孔)距離的增加而迅速衰減。

根據著(zhù)名學(xué)者馬大猷教授推出的公式：

式中：L為垂直方向距離漏孔lm處的聲壓級，單位為dB；D為漏孔直徑，單位為mm；D0=1mm；Po為環(huán)境大氣絕對壓力；P為漏氣孔駐壓。

可知，在與漏氣孔的距離一定時(shí)，漏氣超聲波的聲壓級是隨漏氣孔尺寸和系統壓力的變化而變化的，其頻譜峰值也是隨漏氣孔的尺寸和壓力的變化而變化的。漏氣產(chǎn)生的超聲渡頻帶比較寬，一般為20kHz～100kHz。在一定的漏氣孔徑和壓力下，如果漏氣超聲波的頻譜峰值是在38 kHz點(diǎn)，那么加大孔徑以后，它的頻譜峰值可能出現在36 kHz點(diǎn)；如果孔徑不變，則加大系統內外壓差，頻譜峰值可能會(huì )出現在43 kHz點(diǎn)。

圖2為輪胎漏氣產(chǎn)生的頻譜示意圖。由圖可知，在40 kHz點(diǎn)的漏氣超聲波能量都是比較大的，而且漏氣聲和本底噪聲能量差值也最大。

2 系統硬件實(shí)現
通過(guò)實(shí)驗可知，在40 kHz點(diǎn)的漏氣超聲波能量都是比較大的，而且漏氣聲和本底噪聲能量差值也最大。系統只需要檢測40 kHz點(diǎn)的漏氣超聲波強度，即可保證系統的靈敏度。

本設計采用美國TI公司新一代性能優(yōu)良的DSP微處理器芯片TMS320LF2407A。其工作頻率達40MHz，內部具有豐富的資源，如5KB RAM、64KB Flash ROM、16路PWM、4路Q(chēng)EP、16路10位500 ns A／D、4個(gè)16位定時(shí)器和1個(gè)Watchdog；供電電壓僅為3．3 V，適應溫度為一40～：125℃；CAN／UART／SPI各1路，主要負責A／D轉換，對A／D轉換后的信號進(jìn)行分析處理，對LCD及電源進(jìn)行管理。TMS320LF240X是基于C2XLP 16位的定點(diǎn)低功耗的數字信號處理器系列，TMS320LF2407A型處理器是此系列中的最新產(chǎn)品。40MIPS的處理速度可以提供遠遠超過(guò)傳統的16位微控制器和微處理器的性能。其內置的10位A／D轉換電路可以使電路簡(jiǎn)化。

系統原理框圖如圖3所示。系統分為模擬和數字兩部分。模擬部分包括4路(4個(gè)輪胎)信號放大電路和音頻處理電路等。信號放大電路由前置放大電路、帶通濾波電路和二次放大電路組成。數字部分主要由DSP、LCD、RAM和鍵盤(pán)等外圍設備組成。傳感器信號經(jīng)過(guò)放大濾波后，交DSP處理。

2．1 信號放大電路
圖4為車(chē)輪1模擬電路的信號放大部分(其他3個(gè)車(chē)輪檢測電路相同)。

前置放大電路選用ADI公司的專(zhuān)用高精度儀器三運放AD620。AD620是由3個(gè)精密運放集成的差分專(zhuān)用儀器運放，具有低偏移、高增益(信號可直接放大到1000倍)、高共模擬制比的特點(diǎn)，特別適用于放大傳感器信號。由于傳感器接收到的大量低頻噪聲(如50 Hz的工頻噪聲)強度遠大于它所接收到的超聲信號，所以在傳感器與AD620之間必須接一個(gè)無(wú)源高通濾波器。這樣雖然增加了傳感器的功耗，但在后面可通過(guò)增加放大倍數來(lái)彌補。第2級是一個(gè)有源帶通濾波電路，可以濾掉前面濾波器沒(méi)有濾掉的大部分背景噪聲和由器件或電路產(chǎn)生的噪聲。這里選擇的通帶為38 kHz～42 kHz。第2級和第3級運放都采用ADI公司的OP777。OP777是一個(gè)超精密的低噪聲運放，具有極低的電壓和電流偏移以及很高的增益穩定性。第3級是一個(gè)的同相放大電路，經(jīng)過(guò)此放大后，信號為一3．3～十3．3 V，再經(jīng)過(guò)圖4所示的2個(gè)20 kΩ電阻，并接上+3．3 V的偏置電壓，就可使輸入到DSP的A／D采樣信號變?yōu)?～3．3 V。

雖然選用的器件是低噪聲的，但對檢測極其微弱的泄漏超聲信號來(lái)說(shuō)，還是不能忽略器件本身的噪聲。在信號進(jìn)入DSP以后再一次對其進(jìn)行數字濾波，濾掉由前面器件和電路產(chǎn)生的直流電壓偏置和噪聲。這樣就可以得到精度足夠高的泄漏超聲波信號。

2．2 LCD顯示部分
LCD的作用是顯示泄漏孔的聲強、估算的泄漏值以及由鍵盤(pán)輸入的數據。這里選用內藏三星公司的KS0713顯示控制芯片的LCD顯示模塊。它有12864點(diǎn)陣，供電電壓只需3．3 V。KS0713芯片速度相當快，內部晶振頻率可達2 MHz，非常適用于高速CPU芯片的場(chǎng)合。這里，采用DSP的數字I／O口控制LCD模塊，如圖5所示。

3 系統軟件設計
系統軟件部分的主要工作是完成泄據超聲的檢測并實(shí)現顯示功能，所以軟件部分主要由信號采集子程序、濾波子程序、FFT變換程序、LCD顯示子程序和鍵盤(pán)服務(wù)子程序等組成。限于篇幅，在此只列出程序設計的總體思路，如圖6所示。

結語(yǔ)
采用美國TI公司的高性能DSP TMs320LF2407A微處理器芯片，根據輪胎漏氣產(chǎn)生超聲波的原理，設計了一個(gè)轎車(chē)輪胎漏氣檢測系統。將超聲波傳感器安置到各車(chē)輪輪胎附近底盤(pán)上30cm附近，在車(chē)輪轉動(dòng)和正常輪胎氣壓條件下，分別對氣門(mén)漏氣和針扎小孔漏氣進(jìn)行測試。經(jīng)過(guò)實(shí)驗證明，該系統能快速準確地測定4個(gè)車(chē)輪中的漏氣輪胎并告警。不僅方法簡(jiǎn)單，而且快速、準確，可靠性高。該系統具有精度高、體積小、便于攜帶和具有很好的人機交互界面等特點(diǎn)。