采用超聲原理的輪胎漏氣檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

一、引言

隨著我國轎車工業(yè)的不斷發(fā)展，轎車已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡慕煌üぞ摺Ｈ欢喬ヂ庾鳛檗I車行駛過程中的常見問題，如果不及時檢測發(fā)現(xiàn)，不僅會耽誤行程，還可能導(dǎo)致交通事故，因此設(shè)計(jì)一種高性能、高可靠性的輪胎漏氣檢測系統(tǒng)具有重要意義。基于超聲原理的輪胎漏氣檢測系統(tǒng)利用輪胎漏氣時產(chǎn)生的超聲波信號，通過特定的傳感器和信號處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對輪胎漏氣狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測。本文將詳細(xì)介紹采用超聲原理的輪胎漏氣檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，包括主控芯片的型號及其在設(shè)計(jì)中的作用。

二、系統(tǒng)工作原理

轎車輪胎在內(nèi)部壓強(qiáng)大于外部壓強(qiáng)時，如果輪胎有漏孔（如扎破的小孔或氣門），氣體將從漏孔沖出。當(dāng)漏孔尺寸較小且雷諾數(shù)較高時，沖出的氣體會形成湍流，并在漏孔附近產(chǎn)生一定頻率的聲波。聲波振動的頻率與漏孔的大小有關(guān)，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，人耳聽不到，但超聲波能在空氣中傳播。

超聲波是高頻短波信號，其強(qiáng)度隨著離開聲源（漏孔）距離的增加而迅速衰減。在一定的漏氣孔徑和壓力下，漏氣產(chǎn)生的超聲波頻帶比較寬，一般為20kHz～100kHz。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在40kHz點(diǎn)的漏氣超聲波能量較大，且漏氣聲和本底噪聲能量差值也最大。因此，系統(tǒng)只需要檢測40kHz點(diǎn)的漏氣超聲波強(qiáng)度，即可保證系統(tǒng)的靈敏度。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1. 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)分為模擬部分和數(shù)字部分。模擬部分主要負(fù)責(zé)信號的放大和濾波，以提高超聲波信號的信噪比；數(shù)字部分則負(fù)責(zé)信號的采集、處理和顯示。

• 模擬部分：包括信號放大電路和濾波電路。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，用于增強(qiáng)超聲波信號并濾除噪聲。

• 數(shù)字部分：包括主控芯片、ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、LCD顯示屏和鍵盤等外圍設(shè)備。主控芯片負(fù)責(zé)信號的處理和控制，ADC用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，LCD顯示屏用于顯示泄漏孔的聲強(qiáng)、估算的泄漏值以及由鍵盤輸入的數(shù)據(jù)。

2. 主控芯片選擇及其作用

主控芯片型號：美國TI公司的DSPTMS320LF2407A。

作用：

• 高速處理能力：TMS320LF2407A是一款基于C2XLP 16位的定點(diǎn)低功耗數(shù)字信號處理器，工作頻率達(dá)40MHz，具備高速處理能力，可以滿足對超聲波信號進(jìn)行實(shí)時處理的需求。

• 豐富的內(nèi)部資源：TMS320LF2407A內(nèi)部具有豐富的資源，如RAM、ROM、PWM、A/D轉(zhuǎn)換器等，適合進(jìn)行復(fù)雜的信號處理任務(wù)。其中，內(nèi)置的10位A/D轉(zhuǎn)換電路可以簡化電路設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的集成度和可靠性。

• 低功耗：作為低功耗的DSP芯片，TMS320LF2407A在保持高性能的同時，降低了系統(tǒng)的功耗，延長了系統(tǒng)的使用時間。

• 良好的擴(kuò)展性：TMS320LF2407A具有豐富的外設(shè)接口，如SPI、SCI、CAN等，方便與其他外設(shè)進(jìn)行連接和通信，提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性和靈活性。

3. 信號放大電路

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。

• 前置放大電路：選用ADI公司的專用高精度儀器三運(yùn)放AD620。AD620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50Hz的工頻噪聲）強(qiáng)度遠(yuǎn)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，以濾除低頻噪聲。

• 帶通濾波電路：第二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(chǎn)生的噪聲。選擇的通帶為38kHz～42kHz，以匹配漏氣超聲波的主要頻率范圍。

• 二次放大電路：第二級和第三級運(yùn)放都采用ADI公司的OP777。OP777是一個超精密的低噪聲運(yùn)放，具有極低的電壓和電流偏移以及很高的增益穩(wěn)定性。經(jīng)過第二級和第三級放大后，信號可以放大到適當(dāng)?shù)姆秶詽M足后續(xù)處理的需求。

4. 信號處理算法

信號處理算法主要包括信號采集、濾波、特征提取和判斷等步驟。

• 信號采集：通過ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并進(jìn)行初步的數(shù)字濾波，以去除高頻噪聲和直流偏移。

• 濾波：采用數(shù)字濾波算法，如FIR濾波器或IIR濾波器，對信號進(jìn)行進(jìn)一步的濾波處理，以提高信號的信噪比。

• 特征提取：對濾波后的信號進(jìn)行特征提取，如計(jì)算信號的頻譜、峰值等參數(shù)，以獲取漏氣超聲波的特征信息。

• 判斷：根據(jù)提取的特征信息，與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，判斷輪胎是否存在漏氣現(xiàn)象。如果判斷為漏氣，則發(fā)出報(bào)警信號，并顯示相關(guān)信息。

5. 顯示屏與鍵盤

• 顯示屏：選用內(nèi)藏三星公司的KS0713顯示控制芯片的LCD顯示模塊。它有128×64點(diǎn)陣，供電電壓只需3.3V。KS0713芯片速度相當(dāng)快，內(nèi)部晶振頻率可達(dá)2MHz，非常適用于高速CPU芯片的場合。通過DSP的數(shù)字I/O口控制LCD模塊，顯示泄漏孔的聲強(qiáng)、估算的泄漏值以及由鍵盤輸入的數(shù)據(jù)。

• 鍵盤：用于輸入相關(guān)信息和設(shè)置參數(shù)，如設(shè)置報(bào)警閾值、選擇顯示模式等。

6. 電源管理

系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)，電源管理模塊負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，并監(jiān)測電源狀態(tài)。當(dāng)電源電壓低于設(shè)定值時，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式或自動關(guān)機(jī)，以保護(hù)電池和延長使用時間。

四、系統(tǒng)測試與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能和可靠性，進(jìn)行了以下測試：

1. 靈敏度測試：將超聲波傳感器置于不同距離的漏氣孔附近，測試系統(tǒng)對不同漏氣孔徑和壓力下產(chǎn)生的超聲波信號的檢測能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地檢測到漏氣現(xiàn)象，且檢測靈敏度較高。

2. 穩(wěn)定性測試：將系統(tǒng)置于不同環(huán)境下（如高溫、低溫、潮濕等），測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)在各種環(huán)境下均能穩(wěn)定工作，且檢測準(zhǔn)確性不受影響。

3. 實(shí)際應(yīng)用測試：將系統(tǒng)安裝在實(shí)際車輛上進(jìn)行測試，驗(yàn)證系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的效果和可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地檢測到輪胎漏氣現(xiàn)象，并發(fā)出報(bào)警信號，提高了車輛行駛的安全性。

五、結(jié)論

采用超聲原理的輪胎漏氣檢測系統(tǒng)是一種高性能、高可靠性的檢測方法。通過選用美國TI公司的DSPTMS320LF2407A作為主控芯片，結(jié)合信號放大電路、濾波電路和信號處理算法等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了對輪胎漏氣現(xiàn)象的實(shí)時監(jiān)測和報(bào)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有檢測靈敏度高、穩(wěn)定性好、實(shí)際應(yīng)用效果好等優(yōu)點(diǎn)，對于提高轎車行駛的安全性具有重要意義。