基于超聲原理的輪胎漏氣檢測系統(tǒng)設計

隨著我國轎車工業(yè)的發(fā)展，轎車越來越普及。由于各種原因，轎車在行駛過程中，經常會發(fā)生輪胎漏氣的現(xiàn)象。如果不及時檢測發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)對于提高轎車行駛的安全性有著非常重要的意義。筆者采用美國TI公司的DSPTMS320LF240X微處理器芯片，根據輪胎漏氣產生超聲波的原理，設計了一種轎車輪胎漏氣檢測系統(tǒng)。

1 檢測原理
轎車輪胎類似一個充滿氣體的容器。當其內部壓強大于外部壓強時，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)，氣體就會從漏孔沖出。當漏孔尺寸較小且雷諾數(shù)較高時，沖出的氣體就會形成湍流。湍流在漏孔附近會產生一定頻率的聲波，如圖l所示。聲波振動的頻率與漏孔的大小有關。漏孔較大時，人耳可聽到漏氣聲；漏孔很小且聲波頻率高于20kHz時，人耳就聽不到了。但它們能在空氣中傳播，這種渡被稱作空載超聲波。超聲波是高頻短波信號，其強度隨著離開聲源(漏孔)距離的增加而迅速衰減。

根據著名學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，漏氣超聲波的聲壓級是隨漏氣孔尺寸和系統(tǒng)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，那么加大孔徑以后，它的頻譜峰值可能出現(xiàn)在36 kHz點；如果孔徑不變，則加大系統(tǒng)內外壓差，頻譜峰值可能會出現(xiàn)在43 kHz點。

圖2為輪胎漏氣產生的頻譜示意圖。由圖可知，在40 kHz點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(tǒng)硬件實現(xiàn)
通過實驗可知，在40 kHz點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(tǒng)只需要檢測40 kHz點的漏氣超聲波強度，即可保證系統(tǒng)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QEP、16路10位500 ns A／D、4個16位定時器和1個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轉換后的信號進行分析處理，對LCD及電源進行管理。TMS320LF240X是基于C2XLP 16位的定點低功耗的數(shù)字信號處理器系列，TMS320LF2407A型處理器是此系列中的最新產品。40MIPS的處理速度可以提供遠遠超過傳統(tǒng)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化。

系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩部分。模擬部分包括4路(4個輪胎)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(shù)字部分主要由DSP、LCD、RAM和鍵盤等外圍設備組成。傳感器信號經過放大濾波后，交DSP處理。

2．1 信號放大電路
圖4為車輪1模擬電路的信號放大部分(其他3個車輪檢測電路相同)。

前置放大電路選用ADI公司的專用高精度儀器三運放AD620。AD620是由3個精密運放集成的差分專用儀器運放，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，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之間必須接一個無源高通濾波器。這樣雖然增加了傳感器的功耗，但在后面可通過增加放大倍數(shù)來彌補。第2級是一個有源帶通濾波電路，可以濾掉前面濾波器沒有濾掉的大部分背景噪聲和由器件或電路產生的噪聲。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(wěn)定性。第3級是一個的同相放大電路，經過此放大后，信號為一3．3～十3．3 V，再經過圖4所示的2個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說，還是不能忽略器件本身的噪聲。在信號進入DSP以后再一次對其進行數(shù)字濾波，濾掉由前面器件和電路產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輸入的數(shù)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芯片的場合。這里，采用DSP的數(shù)字I／O口控制LCD模塊，如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件部分的主要工作是完成泄據超聲的檢測并實現(xiàn)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顯示子程序和鍵盤服務子程序等組成。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
采用美國TI公司的高性能DSP TMs320LF2407A微處理器芯片，根據輪胎漏氣產生超聲波的原理，設計了一個轎車輪胎漏氣檢測系統(tǒng)。將超聲波傳感器安置到各車輪輪胎附近底盤上30cm附近，在車輪轉動和正常輪胎氣壓條件下，分別對氣門漏氣和針扎小孔漏氣進行測試。經過實驗證明，該系統(tǒng)能快速準確地測定4個車輪中的漏氣輪胎并告警。不僅方法簡單，而且快速、準確，可靠性高。該系統(tǒng)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。