一種無源聲表面波傳感器胎壓監(jiān)測裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種無源聲表面波傳感器胎壓監(jiān)測裝置，輪胎內部胎壓監(jiān)測模塊采用無源聲表面波傳感器對胎壓進行采集，并經無線方式把數據傳給控制器處理。解決了當前有源胎壓監(jiān)測系統(tǒng)體積大、電池壽命短的問題。控制器(2)控制無線射頻發(fā)射模塊(3)產生射頻脈沖信號，通過裝置天線(6)發(fā)射出去，無源聲表面波傳感器(1)接收到此射頻脈沖信號后，把含有輪胎內部壓力信息的射頻脈沖信號通過傳感器天線(7)發(fā)射出去。無線射頻接收模塊(4)接收并解調該射頻脈沖信號得到壓力信號，控制器(2)使用自適應濾波算法對壓力信號處理，結果由顯示器(8)顯示，當胎壓不正常時由聲光報警裝置(9)產生聲光報警。
【專利說明】一種無源聲表面波傳感器胎壓監(jiān)測裝置
【技術領域】
[0001]輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)用于對輪胎內部壓力進行實時監(jiān)測與報警。當輪胎內部壓力超過正常值時監(jiān)測系統(tǒng)會向司機發(fā)出報警信號，以便采取相應措施保證司機和乘客安全。
[0002]本實用新型涉及一種新型的汽車胎壓監(jiān)測裝置。
【背景技術】
[0003]現有的TPMS分間接式和直接式兩種，間接式是通過汽車上防抱死系統(tǒng)的輪速傳感器監(jiān)測車輪之間轉速的不同以達到監(jiān)視胎壓目的。當有一只車輪胎壓變化時，其輪胎直徑會產生變化，輪胎的轉速也會產生相應的變化，這樣監(jiān)測系統(tǒng)就可以通過監(jiān)測輪速的不同以達到監(jiān)測胎壓的目的，這種方式不足之處在于監(jiān)測系統(tǒng)不能定位是哪只車輪出問題，而且同一車軸或同一側的輪胎同時處于低壓狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)就無法達到監(jiān)測胎壓的目的。直接式是通過安裝在輪胎上的壓力傳感器監(jiān)測輪胎內部壓力，經過內嵌的微處理器處理后以無線方式發(fā)送到中央處理器處理并顯示。這種方式需要在輪胎內部監(jiān)測模塊上安裝電池用來保證壓力傳感器正常工作以及給無線傳輸供電。因為電池壽命不長，所以就縮短了整個胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的壽命，同時電池占用了部分體積不利用系統(tǒng)的小型化也造成了環(huán)境的污染。
實用新型內容
[0004]本實用新型要解決的任務是提供一種與現有技術相比壽命長、體積小的無源聲表面波(SAW)胎壓監(jiān)測裝置，從而延長了整個胎壓監(jiān)測裝置的壽命。
[0005]為了解決上述技術問題，本實用新型是通過以下技術方案組成如圖1所示，連接關系:安裝在輪胎中的若干個無源聲表面波傳感器(1)與傳感器天線(7)連接用以接收射頻查詢脈沖信號與返回射頻信，控制器(2)通過無線射頻發(fā)射(3)、接收(4)模塊與射頻開關(5)、裝置天線(6)進行連接組成射頻發(fā)射與接收回路，發(fā)射射頻查詢脈沖信號和接收由輪胎內部返回的壓力信號，顯示器(8)、聲光報警裝置(9)與控制器(2)連接，顯示監(jiān)測胎壓狀況并在不正常情況下產生聲光報警。
[0006]1.無源聲表面波傳感器⑴的組成如圖2所示，包括叉脂換能器(10)，壓電基底
(11)，反射柵(12)，天線接口(13)。無源聲表面波傳感器(1)接收到射頻脈沖信號后把輪胎內部壓力信號通過傳感器天線(7)反射回去。
[0007]2.控制器(2)采用TI公司的高速、低功耗TMS320C5509DSP數字處理芯片，控制無線射頻發(fā)射模塊(3)輸出射頻脈沖信號，對無線射頻接收模塊(4)輸出的基帶信號進行處理，控制射頻開關(5)與無線射頻發(fā)射、接收回路的通斷。
[0008]3.無線射頻發(fā)射模塊(3)的組成如圖3所示，電路中的射頻發(fā)射芯片選用PT4450，這是一個高度集成的采用00K/ASK調制的射頻發(fā)射芯片，發(fā)射頻率為315MHz/433MHz。當PT4450芯片的DIN引腳為高電平時，PA0UT端口輸出高頻射頻信號，經射頻開關(5)把射頻信號從裝置天線(6)發(fā)射出去。
[0009]4.無線射頻接收模塊(4)的組成如圖4所示，電路中的器件選用MAX1473，這是一款COMS超外差接收芯片，接收射頻信號頻率為300MHz到500MHz的ASK信號。裝置天線(6)接收到射頻信號通過射頻天關(5)送給MAX1473芯片處理，處理后的基帶信號由MIXOUT引腳輸出。
[0010]5.自適應濾波器如圖5所示，待濾波信號x(n)經參數可調的數字濾波器濾波后產生輸出信號e (η)，將輸出信號y (η)與標準信號d(n)進行比較得到誤差信號e (η)。e (η)和χ(η)通過自適應算法對濾波器的參數進行調整，調整的目的使得誤差信號e(n)最小。
[0011]本實用新型與現有技術相比有如下優(yōu)勢:
[0012]1.這種無源壓力傳感器由外部射頻單元向其發(fā)射的射頻查詢脈沖供能進行工作，從而不再使用電池，延長了輪胎壓力監(jiān)測裝置的壽命，也減少了此部分的體積，有利于系統(tǒng)的集成與安裝維護，克服了現有技術的不足。
[0013]2.本實用新型采用TMS320C5509DSP芯片，充分利用該芯片在通信方面的優(yōu)勢，大大提高了信號處理速度與監(jiān)測系統(tǒng)的實時性，增強了系統(tǒng)的可靠性，芯片內部集成了高精度定時器和計數器，減少其他專用芯片的使用，可節(jié)約成本、減少控制板電路復雜性。
[0014]3.接收電路和發(fā)射電路分別使用一片集成芯片，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和體積。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]本實用新型說明書包括五幅附圖，這些附圖的圖面說明如下:
[0016]圖1 一種無源聲表面波傳感器胎壓監(jiān)測裝置組成圖。
[0017]圖2無源聲表面波傳感器結構圖。
[0018]圖3無線射頻發(fā)射模塊電路原理圖。
[0019]圖4無線射頻接收模塊電路原理圖。
[0020]圖5自適應濾波器結構圖。
[0021]圖中，無源聲表面波傳感器(1)，控制器(2)，無線射頻發(fā)射模塊(3)，無線射頻接收模塊(4)，射頻開關(5)，裝置天線(6)，傳感器天線(7)，顯示器(8)，聲光報警裝置(9)，叉脂換能器(10)，壓電基底(11)，反射柵(12)，天線接口(13)，數字濾波器(14)，自適應濾波算法(15)。
【具體實施方式】
[0022]以下結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進一步詳細的描述，圖中:
[0023]1.無源聲表面波傳感器(I)工作原理
[0024]連接在無源聲表面波傳感器(I)上面的天線接收到射頻脈沖信號，經內部叉脂換能器(IDT)利用逆壓電效應把天線接收到的射頻脈沖信號轉換成聲表面波脈沖信號在壓電基片上進行縱向傳播，經兩側反射柵反射疊加，再由IDT逆壓電效應產生電信號經過傳感器天線(7)發(fā)出。
[0025]2.無線射頻發(fā)射模塊(3)的工作原理
[0026]無線射頻發(fā)射模塊(3)如圖3所示，這是一款無線射頻發(fā)射芯片，型號為PT4450，內部集成SAW振蕩器，功率放大模塊。工作電壓為2.23?3.6V，3V下輸出功率為IOdBm,工作頻率為250MHz?500MHz。發(fā)射模塊采用OOK/ASK方式調制，以降低功耗，當數據信號停止時發(fā)射電流為0。經過加密的數據進入PT4450的DIN引腳，當DIN引腳為高電平時觸發(fā)電路，單觸發(fā)電路打開功率放大器和震蕩器，高頻振蕩信號輸出給功率放大器，從PAOUT引腳輸出，經天線匹配網絡發(fā)射出去，當DIN腳為低電平時，功率放大器關閉，但保持振蕩。當DIN引腳輸入一組脈沖信號時，芯片內部會產生高頻信號，經內部功率放大器進行功率放大，從PAOUT引腳輸出一組射頻脈沖信號。
[0027]3.無線射頻接收模塊(4)的工作原理
[0028]無線射頻接收模塊(4)如圖4所示，MAX1473是一款完全集成的、低功耗、CMOS超外差接收器，具有-114dBm至OdBm的輸入信號范圍，用于接收300MHz至450MHz頻率范圍的幅度鍵控(ASK)數據信號。芯片內部包括低噪聲放大器(LNA)、全差分鏡頻抑制混頻器、帶有集成壓控振蕩器(VC0)的片上鎖相環(huán)(PLL)、帶接收信號強度指示(RSSI)的10.7MHzIF限幅放大器，以及模擬基帶數據恢復電路。當無源聲表面波傳感器(1)返回的射頻信號由裝置天線(6)接收后，經過MAX1473的LNA、濾波器及MAX1473內部集成混頻器處理后從MAX0UT引腳輸出基帶信號，由微處理器芯片TMS320C5509處理后得到輪胎內部壓力值。
[0029]4.DSP芯片的選型
[0030]TMS320C55x(以下簡稱C55x)芯片是德州儀器公司推出的新一代低功耗、高性能、16位定點數字信號處理器。C55x是在TMS320C54x(簡稱C54x)的基礎上發(fā)展而來的，其源代碼也與C55x兼容。C55x極大地降低了功耗，與C54x相比，C55x周期效率為C54x的2倍，而功耗只有C54x的1/6。
[0031]C55x系列具有統(tǒng)一的CPU內核，CPU內核由4個功能單元構成:指令緩沖單元，程序流單元，地址-數據流單元和數據運算單元，其中數據運算單元包括1個40位的筒形移位寄存器、2個乘加單元、1個40位的ALU以及若干寄存器。數據運算單元是CPU中最主要的部分，是主要的數據處理部件，完成大部分的算術運算工作。在此系統(tǒng)中要用濾波算法來處理來自MAX1473調理后的信號，本次DSP選型TMS320C5509，此款芯片內部有256KB片上RAM, 64KB片上R0M，外部存儲空間為16MB。
[0032]上RAM，64KB片上R0M，外部存儲空間為16MB。
[0033]5.無源聲表面波傳感器胎壓監(jiān)測裝置工作原理
[0034]控制器(2)向PT4450的DIN引腳提供一個高電平信號，PT4450開始工作，DSP通過控制DIN引腳高電平信號的時長就可以控制PT4450輸出射頻脈沖的寬度。射頻脈沖經PT4450的PA0UT引腳外接裝置天線(6)發(fā)射出去。安裝在輪胎中的無源聲表面波傳感器
(1)與傳感器天線(7)接收射頻查詢脈沖信號，通過叉脂換能器(10)的逆壓電效應把接收到的射頻脈沖信號轉換為聲表面波脈沖信號，該信號在傳播的方向上遇到反射柵(12)返回壓力信號，再次經過叉脂換能器的逆壓電效應作用把聲表面波信號轉換為射頻信號經傳感器天線(7)發(fā)送出去。無線射頻接收模塊(4)的天線接收到無源聲表面波傳感器返回的射頻信號，并經過MAX1473處理得到一個含有壓力信號的基帶信號?？刂破?2)處理此信號并計算得到壓值大小，送到顯示器(8)上實時顯示。這樣就實現了對輪胎的胎壓監(jiān)測。當壓力大小不在正常范圍之內時，聲光報警裝置(9)就會產生報警信號。
[0035]附錄
[0036]1.自適應濾波器[0037]自適應濾波器是在沒有任何關于信號和噪聲的先驗知識的條件下，利用前一時刻已獲得的濾波器參數等結果，自動地調節(jié)現時刻的濾波器參數，以適應信號和噪聲未知的或隨時間變化的統(tǒng)計特性，從而實現最優(yōu)濾波。自適應濾波器通常由最小均方誤差判據和最小二乘法判據來實現，LMS算法是以最小均方誤差為判據的最典型的算法，也是應用最廣泛的一種算法。因為LMS算法簡單有效、魯棒性好、易于實現等優(yōu)點，得到了廣泛的應用。數字濾波器的結構可以是FIR數字濾波器或IIR數字濾波器，也可以是格型數字濾波器，由于IIR濾波器存在穩(wěn)定性問題，因此采用FIR濾波器作為自適應濾波器的結構。
[0038]2.基于LMS的自適應濾波算法原理
[0039]圖5為基于LMS的自適應濾波器結構圖，X (η)表示輸入信號，通過參數可調的數字濾波器(14)后產生輸出信號y (n)，y (η)與標準信號d(n)進行比較，得到誤差信號e (η)，然后再通過自適應濾波算法(15)對濾波器的參數進行調整，使得誤差信號e (η)或e(n)的某種統(tǒng)計量達到最小。重復上面過程，濾波器逐漸了解到關于輸入信號和噪聲的統(tǒng)計規(guī)律，并以此為根據自動調整自己的參數，從而達到最佳的濾波效果。一旦輸入信號的統(tǒng)計規(guī)律發(fā)生了變化，濾波器能夠自動跟蹤上輸入信號的變化，自動調整濾波器的參數，最終達到濾波效果，實現自適應過程。令w(n)表示圖5中的濾波系數矢量,即w(n) = Iw1 (n),w2(n),...,wM(n)]，則自適應濾波器的輸出為:
[0040]y (n) = Wi (η) X x (n-1+1) = wT (η) X x (n) (I)
[0041]誤差信號e(n)可以寫成:
[0042]e (η) = d (η) -y (η) (2)
[0043]根據最小均方誤差判據:ξ (η) = E [e2 (η) ] (3)
[0044]將式(I)和(2)代入(3)，得:
[0045]ξ (η) = E [d (η) ]-2E [d (η) X wT (η) X X (η) ]+E [wT (η) X X (η) X χτ (η) X w (η)]
(4)
[0046]當濾波系數固定時，目標函數ξ (η)可以寫成:
[0047]ξ (η) = E [d (η) ] -2wT (η) X P+wT (η) XRXw (η) (5)
[0048]其中，R = E[χ (η) Xχτ (η)]是輸入信號的自相關矩陣；P = E[d(η) Xχ (η)]是期望信號與輸入信號的互相關矢量。由式(5)可見，目標函數ξ (η)是濾波系數w(n)的二次函數。
[0049]將式(5)對w(n)求導數，并令其等于零，同時假設R非奇異，可得目標函數的最佳濾波系數為:Wtl = IT1XP (6)
[0050]因為目標函數是濾波系數w(n)的二次函數，所以可以形成一個碗狀超拋物面(性能曲面)，式(6)的解稱為維納解，它為碗底最小點。自適應濾波器系數的起始值位于性能曲面的某一點，經過自適應調節(jié)，濾波系數變化的點向碗底最小點移動，最終實現最佳維納濾波?？梢?，系數變化點按照梯度的負方向運動達到最佳濾波的速度是最快的。令▽?表示η時刻的MX I維梯度矢量，M等于濾波器系數的數目，自適應濾波器系數矢量的變化與梯度的關系為:
[0051 ] w(n +1) = w(n)+1x x [- Vn](7)
[0052] 其中，μ為一個正實常數,稱為自適應收斂系數。[0053]由式⑴和⑵得:
【權利要求】
1.一種無源聲表面波傳感器胎壓監(jiān)測裝置，其特征在于:安裝在輪胎中的若干個無源聲表面波傳感器(I)與傳感器天線(7)連接用以接收射頻查詢脈沖信號與返回射頻信，控制器(2)通過無線射頻發(fā)射(3)、接收(4)模塊與射頻開關(5)、裝置天線(6)進行連接組成射頻發(fā)射與接收回路，發(fā)射射頻查詢脈沖信號和接收由輪胎內部返回的壓力信號，顯示器(8)、聲光報警裝置(9)與控制器(2)連接，顯示監(jiān)測胎壓狀況并在不正常情況下產生聲光報警。
2.根據權利要求1所述的胎壓監(jiān)測裝置，其特征在于:控制器(2)采用DSP芯片。
3.根據權利要求1所述的胎壓監(jiān)測裝置，其特征在于:無源聲表面波傳感器(I)組成包括叉脂換能器(10)，壓電基底(11)，反射柵(12)，天線接口(13)。
4.根據權利要求1所述的胎壓監(jiān)測裝置，其特征在于:無線射頻發(fā)射(3)、接收(4)模塊分別采用射頻發(fā)射芯片與超外差無線接收芯片，射頻開關(5)采用可控高速射頻開關芯片。
5.根據權利要求1或權利要求2所述的胎壓監(jiān)測裝置，其特征在于:自適應濾波算法信號處理算法在DSP芯片中實現。
【文檔編號】B60C23/04GK203460629SQ201320607951
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權日:2013年9月30日
【發(fā)明者】王立龍, 吳明贊, 魏蕾, 王德貴, 楊晶晶 申請人:南京理工大學