采用超声原理的轮胎漏气检测系统设计方案

一、引言

随着我国轿车工业的不断发展，轿车已成为人们日常生活中不可或缺的交通工具。然而，轮胎漏气作为轿车行驶过程中的常见问题，如果不及时检测发现，不仅会耽误行程，还可能导致交通事故，因此设计一种高性能、高可靠性的轮胎漏气检测系统具有重要意义。基于超声原理的轮胎漏气检测系统利用轮胎漏气时产生的超声波信号，通过特定的传感器和信号处理技术，实现对轮胎漏气状态的实时监测。本文将详细介绍采用超声原理的轮胎漏气检测系统的设计方案，包括主控芯片的型号及其在设计中的作用。

二、系统工作原理

轿车轮胎在内部压强大于外部压强时，如果轮胎有漏孔（如扎破的小孔或气门），气体将从漏孔冲出。当漏孔尺寸较小且雷诺数较高时，冲出的气体会形成湍流，并在漏孔附近产生一定频率的声波。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，人耳听不到，但超声波能在空气中传播。

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。在一定的漏气孔径和压力下，漏气产生的超声波频带比较宽，一般为20kHz～100kHz。通过实验发现，在40kHz点的漏气超声波能量较大，且漏气声和本底噪声能量差值也最大。因此，系统只需要检测40kHz点的漏气超声波强度，即可保证系统的灵敏度。

三、系统设计方案

1. 系统总体架构

系统总体架构分为模拟部分和数字部分。模拟部分主要负责信号的放大和滤波，以提高超声波信号的信噪比；数字部分则负责信号的采集、处理和显示。

• 模拟部分：包括信号放大电路和滤波电路。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，用于增强超声波信号并滤除噪声。

• 数字部分：包括主控芯片、ADC（模数转换器）、LCD显示屏和键盘等外围设备。主控芯片负责信号的处理和控制，ADC用于将模拟信号转换为数字信号，LCD显示屏用于显示泄漏孔的声强、估算的泄漏值以及由键盘输入的数据。

2. 主控芯片选择及其作用

主控芯片型号：美国TI公司的DSPTMS320LF2407A。

作用：

• 高速处理能力：TMS320LF2407A是一款基于C2XLP 16位的定点低功耗数字信号处理器，工作频率达40MHz，具备高速处理能力，可以满足对超声波信号进行实时处理的需求。

• 丰富的内部资源：TMS320LF2407A内部具有丰富的资源，如RAM、ROM、PWM、A/D转换器等，适合进行复杂的信号处理任务。其中，内置的10位A/D转换电路可以简化电路设计，提高系统的集成度和可靠性。

• 低功耗：作为低功耗的DSP芯片，TMS320LF2407A在保持高性能的同时，降低了系统的功耗，延长了系统的使用时间。

• 良好的扩展性：TMS320LF2407A具有丰富的外设接口，如SPI、SCI、CAN等，方便与其他外设进行连接和通信，提高了系统的扩展性和灵活性。

3. 信号放大电路

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。

• 前置放大电路：选用ADI公司的专用高精度仪器三运放AD620。AD620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50Hz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，以滤除低频噪声。

• 带通滤波电路：第二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。选择的通带为38kHz～42kHz，以匹配漏气超声波的主要频率范围。

• 二次放大电路：第二级和第三级运放都采用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。经过第二级和第三级放大后，信号可以放大到适当的范围，以满足后续处理的需求。

4. 信号处理算法

信号处理算法主要包括信号采集、滤波、特征提取和判断等步骤。

• 信号采集：通过ADC将模拟信号转换为数字信号，并进行初步的数字滤波，以去除高频噪声和直流偏移。

• 滤波：采用数字滤波算法，如FIR滤波器或IIR滤波器，对信号进行进一步的滤波处理，以提高信号的信噪比。

• 特征提取：对滤波后的信号进行特征提取，如计算信号的频谱、峰值等参数，以获取漏气超声波的特征信息。

• 判断：根据提取的特征信息，与预设的阈值进行比较，判断轮胎是否存在漏气现象。如果判断为漏气，则发出报警信号，并显示相关信息。

5. 显示屏与键盘

• 显示屏：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3.3V。KS0713芯片速度相当快，内部晶振频率可达2MHz，非常适用于高速CPU芯片的场合。通过DSP的数字I/O口控制LCD模块，显示泄漏孔的声强、估算的泄漏值以及由键盘输入的数据。

• 键盘：用于输入相关信息和设置参数，如设置报警阈值、选择显示模式等。

6. 电源管理

系统采用低功耗设计，电源管理模块负责为系统提供稳定的电源供应，并监测电源状态。当电源电压低于设定值时，系统进入低功耗模式或自动关机，以保护电池和延长使用时间。

四、系统测试与验证

为了验证系统的性能和可靠性，进行了以下测试：

1. 灵敏度测试：将超声波传感器置于不同距离的漏气孔附近，测试系统对不同漏气孔径和压力下产生的超声波信号的检测能力。实验结果表明，系统能够快速准确地检测到漏气现象，且检测灵敏度较高。

2. 稳定性测试：将系统置于不同环境下（如高温、低温、潮湿等），测试系统的稳定性和可靠性。实验结果表明，系统在各种环境下均能稳定工作，且检测准确性不受影响。

3. 实际应用测试：将系统安装在实际车辆上进行测试，验证系统在实际应用中的效果和可行性。实验结果表明，系统能够快速准确地检测到轮胎漏气现象，并发出报警信号，提高了车辆行驶的安全性。

五、结论

采用超声原理的轮胎漏气检测系统是一种高性能、高可靠性的检测方法。通过选用美国TI公司的DSPTMS320LF2407A作为主控芯片，结合信号放大电路、滤波电路和信号处理算法等技术手段，实现了对轮胎漏气现象的实时监测和报警。实验结果表明，该系统具有检测灵敏度高、稳定性好、实际应用效果好等优点，对于提高轿车行驶的安全性具有重要意义。