基于超声原理的轮胎漏气检测系统设计

    随着我国轿车工业的发展，轿车越来越普及。由于各种原因，轿车在行驶过程中，经常会发生轮胎漏气的现象。如果不及时检测发现，轻则耽误行程，重则造成事故；因此，设计一种检测轮胎漏气系统对于提高轿车行驶的安全性有着非常重要的意义。笔者采用美国TI公司的DSPTMS320LF240X微处理器芯片，根据轮胎漏气产生超声波的原理，设计了一种轿车轮胎漏气检测系统。

1 检测原理
    轿车轮胎类似一个充满气体的容器。当其内部压强大于外部压强时，由于内外压差较大，一旦容器有漏孔(漏孔可以是扎破的小孔或者气门)，气体就会从漏孔冲出。当漏孔尺寸较小且雷诺数较高时，冲出的气体就会形成湍流。湍流在漏孔附近会产生一定频率的声波，如图l所示。声波振动的频率与漏孔的大小有关。漏孔较大时，人耳可听到漏气声；漏孔很小且声波频率高于20kHz时，人耳就听不到了。但它们能在空气中传播，这种渡被称作空载超声波。超声波是高频短波信号，其强度随着离开声源(漏孔)距离的增加而迅速衰减。

    根据著名学者马大猷教授推出的公式：

   
    式中：L为垂直方向距离漏孔lm处的声压级，单位为dB；D为漏孔直径，单位为mm；D0=1mm；Po为环境大气绝对压力；P为漏气孔驻压。

    可知，在与漏气孔的距离一定时，漏气超声波的声压级是随漏气孔尺寸和系统压力的变化而变化的，其频谱峰值也是随漏气孔的尺寸和压力的变化而变化的。漏气产生的超声渡频带比较宽，一般为20kHz～100kHz。在一定的漏气孔径和压力下，如果漏气超声波的频谱峰值是在38 kHz点，那么加大孔径以后，它的频谱峰值可能出现在36 kHz点；如果孔径不变，则加大系统内外压差，频谱峰值可能会出现在43 kHz点。

    图2为轮胎漏气产生的频谱示意图。由图可知，在40 kHz点的漏气超声波能量都是比较大的，而且漏气声和本底噪声能量差值也最大。

2 系统硬件实现
    通过实验可知，在40 kHz点的漏气超声波能量都是比较大的，而且漏气声和本底噪声能量差值也最大。系统只需要检测40 kHz点的漏气超声波强度，即可保证系统的灵敏度。

    本设计采用美国TI公司新一代性能优良的DSP微处理器芯片TMS320LF2407A。其工作频率达40MHz，内部具有丰富的资源，如5KB RAM、64KB Flash ROM、16路PWM、4路QEP、16路10位500 ns A／D、4个16位定时器和1个Watchdog；供电电压仅为3．3 V，适应温度为一40～：125℃；CAN／UART／SPI各1路，主要负责A／D转换，对A／D转换后的信号进行分析处理，对LCD及电源进行管理。TMS320LF240X是基于C2XLP 16位的定点低功耗的数字信号处理器系列，TMS320LF2407A型处理器是此系列中的最新产品。40MIPS的处理速度可以提供远远超过传统的16位微控制器和微处理器的性能。其内置的10位A／D转换电路可以使电路简化。

    系统原理框图如图3所示。系统分为模拟和数字两部分。模拟部分包括4路(4个轮胎)信号放大电路和音频处理电路等。信号放大电路由前置放大电路、带通滤波电路和二次放大电路组成。数字部分主要由DSP、LCD、RAM和键盘等外围设备组成。传感器信号经过放大滤波后，交DSP处理。

2．1 信号放大电路
    图4为车轮1模拟电路的信号放大部分(其他3个车轮检测电路相同)。

    前置放大电路选用ADI公司的专用高精度仪器三运放AD620。AD620是由3个精密运放集成的差分专用仪器运放，具有低偏移、高增益(信号可直接放大到1000倍)、高共模拟制比的特点，特别适用于放大传感器信号。由于传感器接收到的大量低频噪声(如50 Hz的工频噪声)强度远大于它所接收到的超声信号，所以在传感器与AD620之间必须接一个无源高通滤波器。这样虽然增加了传感器的功耗，但在后面可通过增加放大倍数来弥补。第2级是一个有源带通滤波电路，可以滤掉前面滤波器没有滤掉的大部分背景噪声和由器件或电路产生的噪声。这里选择的通带为38 kHz～42 kHz。第2级和第3级运放都采用ADI公司的OP777。OP777是一个超精密的低噪声运放，具有极低的电压和电流偏移以及很高的增益稳定性。第3级是一个的同相放大电路，经过此放大后，信号为一3．3～十3．3 V，再经过图4所示的2个20 kΩ电阻，并接上+3．3 V的偏置电压，就可使输入到DSP的A／D采样信号变为0～3．3 V。

    虽然选用的器件是低噪声的，但对检测极其微弱的泄漏超声信号来说，还是不能忽略器件本身的噪声。在信号进入DSP以后再一次对其进行数字滤波，滤掉由前面器件和电路产生的直流电压偏置和噪声。这样就可以得到精度足够高的泄漏超声波信号。

2．2 LCD显示部分
    LCD的作用是显示泄漏孔的声强、估算的泄漏值以及由键盘输入的数据。这里选用内藏三星公司的KS0713显示控制芯片的LCD显示模块。它有128×64点阵，供电电压只需3．3 V。KS0713芯片速度相当快，内部晶振频率可达2 MHz，非常适用于高速CPU芯片的场合。这里，采用DSP的数字I／O口控制LCD模块，如图5所示。

3 系统软件设计
    系统软件部分的主要工作是完成泄据超声的检测并实现显示功能，所以软件部分主要由信号采集子程序、滤波子程序、FFT变换程序、LCD显示子程序和键盘服务子程序等组成。限于篇幅，在此只列出程序设计的总体思路，如图6所示。

结语
    采用美国TI公司的高性能DSP TMs320LF2407A微处理器芯片，根据轮胎漏气产生超声波的原理，设计了一个轿车轮胎漏气检测系统。将超声波传感器安置到各车轮轮胎附近底盘上30cm附近，在车轮转动和正常轮胎气压条件下，分别对气门漏气和针扎小孔漏气进行测试。经过实验证明，该系统能快速准确地测定4个车轮中的漏气轮胎并告警。不仅方法简单，而且快速、准确，可靠性高。该系统具有精度高、体积小、便于携带和具有很好的人机交互界面等特点。