一般的ABS除可改善煞車系統(tǒng)的強(qiáng)制性控制性能之外，也可運(yùn)用輪胎與地面的摩擦力信息減少停車距離，由于目前的ABS無(wú)法直接測(cè)量到摩擦力，往往須間接靠監(jiān)測(cè)各個(gè)輪胎的轉(zhuǎn)速而造成時(shí)間上的延遲效應(yīng)與測(cè)量誤差，因此只有直接監(jiān)測(cè)輪胎應(yīng)變才能直接測(cè)量精確的摩擦力，進(jìn)而提升ABS的效能。
自從配備傳感器以監(jiān)測(cè)應(yīng)變量、氣壓與溫度的智能型輪胎問(wèn)世以來(lái)，汽車的安全性能便大幅提升，也使配有能傳輸應(yīng)變數(shù)據(jù)到反鎖煞車系統(tǒng)(ABS)的傳感器或電子穩(wěn)定程序系統(tǒng)的輪胎應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求水漲船高，同時(shí)其規(guī)格需求也進(jìn)一步以提升胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)之輪胎安全性與降低成本為主要考慮的重點(diǎn)
然而，在胎壓傳感器裝載到智能型輪胎上仍受諸多必要的規(guī)范限制。首先，在輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)下難以采用接線式傳感器，使無(wú)線監(jiān)測(cè)成為無(wú)可避免的方式；其次，由于輪胎上的橡膠具有較低的硬度，倘若直接在上面以鑲嵌或貼上傳感器容易造成輪胎應(yīng)力測(cè)量上的干擾與形變問(wèn)題；第三，由于傳感器與輪胎橡膠的硬度差異性較大，往往會(huì)造成在長(zhǎng)期使用下的脫落問(wèn)題，故須設(shè)法降低兩者之間的硬度差異性；最后，只有低價(jià)的傳感器才能搭配低價(jià)的輪胎。
實(shí)際上，通常搭配智能型輪胎上的傳感器總是無(wú)法完全滿足上述各項(xiàng)規(guī)格上的需求，如采用表面聲波傳感器的胎壓偵測(cè)往往由于在不易控制輪胎形變量下產(chǎn)生輪胎形變而引起的干擾問(wèn)題；而微機(jī)電的無(wú)線應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)則是鑲嵌于智能型的復(fù)合式結(jié)構(gòu)中，由于傳感器與輪胎橡膠的硬度差異性較大，往往造成在長(zhǎng)期使用下的脫落問(wèn)題，故其耐用性備受考驗(yàn)。
利用頻譜分析儀測(cè)量TPMS工作信號(hào)
長(zhǎng)間隔高頻瞬時(shí)信號(hào)廣泛應(yīng)用于無(wú)線傳感器、無(wú)線通訊等領(lǐng)域。由于數(shù)字頻譜分析儀受掃描時(shí)間的制約，在擷取2毫秒(ms)以下的瞬時(shí)信號(hào)時(shí)往往遇到很大困難，掃描時(shí)間越短的數(shù)字頻譜分析儀價(jià)格越昂貴。工業(yè)生產(chǎn)講求高質(zhì)量、低成本、高效率(QCE)，運(yùn)用性價(jià)比高的頻譜分析儀完成這類長(zhǎng)間隔高頻瞬時(shí)信號(hào)在生產(chǎn)在線的測(cè)試則相當(dāng)重要。本文以TPMS工作信號(hào)為例，首先介紹此類信號(hào)特性，而后從單一的對(duì)信號(hào)功率、頻率分別測(cè)試的方法入手，介紹測(cè)試儀器的基本設(shè)置；最后介紹生產(chǎn)在線實(shí)用的綜合測(cè)試方案。
TPMS主要用于汽車行駛時(shí)，實(shí)時(shí)的對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行警報(bào)，以保障行車安全。目前，TPMS主要分為兩種類型，一種是間接式TPMS(Wheel-Speed based TPMS, WSB TPMS)，這種系統(tǒng)是透過(guò)汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)到監(jiān)視胎壓的目的，此類型系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是無(wú)法對(duì)兩個(gè)以上輪胎同時(shí)缺氣的狀況和速度超過(guò)每小時(shí)100公里的情況進(jìn)行判斷。
另一種是直接式TPMS(Pressure-Sensor based TPMS, PSB TPMS)(圖1)，從功能和性能上均優(yōu)于間接式TPMS。直接式TPMS系統(tǒng)在每一個(gè)輪胎里安裝壓力傳感器直接測(cè)量輪胎的氣壓，并對(duì)各輪胎氣壓進(jìn)行顯示及監(jiān)視，當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提出警告。安裝在每一個(gè)輪胎里的遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊由智能傳感器系統(tǒng)單芯片(SoC)、微控制器(MCU)、射頻(RF)發(fā)射芯片、鋰電池、天線等部分組成，完成測(cè)量后，透過(guò)無(wú)線電頻率調(diào)制發(fā)射一個(gè)瞬時(shí)信號(hào)給安裝在駕駛臺(tái)的中央監(jiān)視器。中央監(jiān)視器接收遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測(cè)(RTPM)模塊發(fā)射的信號(hào)，將各個(gè)輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，監(jiān)視器隨時(shí)顯示各輪胎氣壓、溫度，駕駛者可以直觀地了解各個(gè)輪胎的氣壓狀況，當(dāng)輪胎氣壓太低、滲漏、太高、或溫度太高時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)提出警告。
圖1 直接式TPMS工作狀態(tài)示意
RTPM與中央監(jiān)視器之間透過(guò)RF信號(hào)通訊，此信號(hào)的良莠直接關(guān)系TPMS的安全質(zhì)量，透過(guò)頻譜分析儀對(duì)此信號(hào)進(jìn)行擷取、測(cè)量和分析是在TPMS產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)檢測(cè)中必不可少的。TPMS的RTPM并非不間斷地對(duì)輪胎胎壓進(jìn)行檢測(cè)并向中央監(jiān)視器發(fā)送RF信號(hào)，而是有一定的時(shí)間間隔，在某些TPMS中，此時(shí)間間隔可以人為設(shè)定，但最快的不低于800毫秒，一般為2秒以上，大多為幾秒到幾十秒。RTPM每次發(fā)送的信號(hào)持續(xù)時(shí)間卻短得多，一般在2毫秒以內(nèi)，所以TPMS工作信號(hào)的特點(diǎn)是間歇長(zhǎng)、發(fā)送時(shí)間短，同時(shí)頻率較高，其工作頻率北美標(biāo)準(zhǔn)為315MHz，歐洲標(biāo)準(zhǔn)為433.92MHz，韓國(guó)為448MHz，另有新標(biāo)準(zhǔn)為868MHz，其發(fā)射功率不能超過(guò)10dBm，否則要接受無(wú)線電管制，工作模式有幅度鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)，其中FSK抗干擾較好。
信號(hào)擷取與基本測(cè)量循序漸進(jìn)
由于目前大多數(shù)數(shù)字頻譜分析儀的掃描時(shí)間都比TPMS工作信號(hào)的發(fā)送時(shí)間長(zhǎng)，而掃描時(shí)間快到微秒級(jí)的頻譜分析儀價(jià)格相當(dāng)昂貴，所以使用一般的頻譜分析儀對(duì)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的擷取須對(duì)頻譜分析儀進(jìn)行一些設(shè)置，操作上要有一定的熟練度。以下先用信號(hào)產(chǎn)生器模擬一個(gè)類似TPMS工作信號(hào)的長(zhǎng)間隔高頻瞬時(shí)信號(hào)，然后具體介紹如何使用廠商生產(chǎn)的頻譜分析儀，以擷取、測(cè)量信號(hào)，并輔助使用數(shù)字示波器。
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待測(cè)長(zhǎng)間隔高頻瞬時(shí)信號(hào)
用信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生一個(gè)FSK信號(hào)，調(diào)制脈沖信號(hào)的周期設(shè)為2秒，占空比為0.1%(即瞬時(shí)信號(hào)持續(xù)2毫秒，載波信號(hào)頻率設(shè)為2MHz的正弦，在示波器上可以看到信號(hào)的時(shí)域波形如圖2所示。圖2(a)(b)(c)三個(gè)圖是在不同大小的時(shí)基下觀察到的信號(hào)波形，從圖中不難理解這種類似TPMS工作信號(hào)的長(zhǎng)間隔、高頻率、瞬時(shí)特性，類似這樣的信號(hào)，在無(wú)線傳感器、無(wú)線射頻辨識(shí)系統(tǒng)(RFID)等許多領(lǐng)域都很常見(jiàn)。
圖2 (a)(b)(c)分別代表不同時(shí)基下的工作信號(hào)示意圖
信號(hào)采集與測(cè)量
將FSK信號(hào)送進(jìn)頻譜分析儀后，按下自動(dòng)設(shè)定(Autoset)鍵，將發(fā)現(xiàn)信號(hào)很難擷取；打開峰值保持，也看不到信號(hào)擷取留下的波形，由于FSK信號(hào)難于擷取，一次性較精準(zhǔn)測(cè)得其頻率和功率有較大困難，因此先分別測(cè)量功率和頻率，從而較準(zhǔn)確地獲得信號(hào)的參數(shù)。
測(cè)量信號(hào)頻率時(shí)，可以打開峰值保持，將中心頻率設(shè)在2MHz。頻率跨度的選擇須考慮與解析頻寬(RBW)的搭配，若測(cè)量范圍(SPAN)和RBW相差很大，加上信號(hào)擷取困難，測(cè)得頻率所需時(shí)間會(huì)非常長(zhǎng)；若SPAN和RBW相差很小，則容易造成頻率測(cè)量不準(zhǔn)確。可選擇30kHz的RBW和1MHz的SPAN，在這種情況下，頻譜分析儀不能保證對(duì)每一個(gè)瞬時(shí)信號(hào)都能成功擷取，所以在頻譜分析儀上看到的頻譜變化間隔往往大于2秒，這是由于SPAN大于RBW時(shí)，若信號(hào)進(jìn)入頻譜分析儀時(shí)其實(shí)時(shí)掃描的頻率偏離信號(hào)真實(shí)頻率，則信號(hào)將無(wú)法被擷取，但經(jīng)過(guò)稍長(zhǎng)的一段時(shí)間(取決于SPAN和RBW之差)后，依然能在峰值保持的模式下觀察到信號(hào)累積的頻譜情況，根據(jù)此一圖像可輕易透過(guò)搜索峰值讀出信號(hào)頻譜中心點(diǎn)的頻率，精準(zhǔn)度可以達(dá)到kHz的級(jí)別，如圖3所示，測(cè)得信號(hào)頻率為2.0MHz。
圖3 透過(guò)峰值讀出信號(hào)頻譜中心點(diǎn)頻率
若測(cè)量FSK信號(hào)的重點(diǎn)在于精確了解其功率，并且希望盡可能多擷取到每一個(gè)送入頻譜分析儀的信號(hào)，則可重新調(diào)整SPAN和RBW，使其相等，或SPAN略小于RBW，如將SPAN設(shè)為200kHz，RBW設(shè)為300kHz。此時(shí)，因?yàn)镽BW的頻寬覆蓋了整個(gè)掃描范圍，所以在此范圍內(nèi)的每一個(gè)進(jìn)入頻譜分析儀的信號(hào)都能被擷取，透過(guò)MARK的峰值檢測(cè)，其功率也能方便、準(zhǔn)確地讀出，如圖4所示，其功率讀值為-8.1dBm。
圖4 透過(guò)MARK峰值檢測(cè)讀出功率讀值
經(jīng)過(guò)多次擷取后不難發(fā)現(xiàn)，每次擷取的功率相差非常小，這也說(shuō)明此方法測(cè)得的功率值具有較高的可靠性。
生產(chǎn)在線通過(guò)測(cè)試
生產(chǎn)在線的通過(guò)測(cè)試分為單一參數(shù)的通過(guò)測(cè)試與綜合測(cè)試兩種，以下將分別介紹：
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單一參數(shù)通過(guò)測(cè)試
若要通過(guò)測(cè)試，首要的要求是每一次信號(hào)都要被擷取，亦即RBW須大于等于SPAN，若產(chǎn)線對(duì)頻率的準(zhǔn)確度要求在幾十kHz的范圍內(nèi)，而對(duì)功率要求較高，如零點(diǎn)幾dBm，則可設(shè)置對(duì)于信號(hào)功率要求的通過(guò)測(cè)試。
另外，可在頻譜分析儀上設(shè)置通過(guò)/失敗(Pass/Fail)的功率限制線(Limit Line)，如圖5所示，使功率滿足限制范圍的信號(hào)(產(chǎn)品)通過(guò)。這一應(yīng)用只須在2.2.2的設(shè)置基礎(chǔ)上進(jìn)入限制線菜單進(jìn)行Pass/Fail功能設(shè)置即可，廠商分析儀產(chǎn)品限制線菜單的設(shè)置靈活，可以方便地編輯使用者須設(shè)定的功率上限和下限。限制線透過(guò)表格形式編輯在線的各點(diǎn)，各點(diǎn)連成的限制曲線可滿足使用者在不同頻率點(diǎn)有不同功率標(biāo)準(zhǔn)的需要，而非簡(jiǎn)單的直線，透過(guò)簡(jiǎn)單幾個(gè)鍵的設(shè)置，頻譜分析儀即能幫助使用者將符合要求的信號(hào)判定為通過(guò)，而所有不符合要求的信號(hào)都將被準(zhǔn)確無(wú)誤地判定為失敗，圖6所示為通過(guò)測(cè)試時(shí)頻譜儀顯示的畫面。
圖5 設(shè)置工率限制線
圖6 通過(guò)測(cè)試示意圖
由于前述功率測(cè)量設(shè)置測(cè)得的頻率并不十分準(zhǔn)確，所以對(duì)于信號(hào)頻率的通過(guò)測(cè)試則不能用上述方法。若對(duì)功率的顯示沒(méi)有要求，則可利用觸發(fā)的功能檢測(cè)信號(hào)頻率，在頻譜分析儀的觸發(fā)菜單中，可設(shè)置觸發(fā)頻率和觸發(fā)電平(功率)，滿足頻率和功率條件的信號(hào)才能被觸發(fā)，每次觸發(fā)頻譜儀都會(huì)重新掃描一次，人眼可觀察到屏幕的閃動(dòng)，不過(guò)由于觸發(fā)延時(shí)，因此無(wú)法在屏幕上看到擷取的信號(hào)圖像，而沒(méi)有觸發(fā)的時(shí)候，屏幕圖像固定不動(dòng)，這樣就可根據(jù)觸發(fā)的情況判斷產(chǎn)品的質(zhì)量。
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綜合測(cè)試方法
一般產(chǎn)線對(duì)信號(hào)的頻率和功率同時(shí)都有較嚴(yán)格的要求，分別進(jìn)行功率、頻率通過(guò)測(cè)試的方法在實(shí)際運(yùn)用中還是稍顯繁瑣，這里推薦另外一種綜合測(cè)試的方法，其特點(diǎn)是首先將SPAN設(shè)置為零頻跨，將擷取的信號(hào)的持續(xù)時(shí)間設(shè)為500微秒、頻率設(shè)為3MHz的信號(hào)、功率1dBm與發(fā)送間隔為1秒，然后利用信號(hào)產(chǎn)生器將信號(hào)的頻率在3MHz附近調(diào)整。由于中心頻率3MHz，零頻跨的頻譜分析儀掃描的范圍只在3MHz這一點(diǎn)上，根據(jù)濾波器的特性，有微小頻率偏移的信號(hào)擷取后的功率會(huì)被衰減，分別將信號(hào)的頻率以3MHz為中心左右調(diào)偏50kHz、100kHz、200kHz和500kHz，信號(hào)衰減后的功率幅度如圖7所示。
圖7 信號(hào)衰減后的功率幅度
據(jù)此，產(chǎn)在線的通過(guò)測(cè)試可以按照?qǐng)D7中的設(shè)置，將標(biāo)準(zhǔn)理想信號(hào)的頻率設(shè)為中心頻率，將SPAN設(shè)為零頻跨，而后根據(jù)需要設(shè)置功率限制線，如此一來(lái)，頻率不夠準(zhǔn)確的信號(hào)在擷取后，功率會(huì)下降到下限制線以下，將會(huì)被判定為失敗，同時(shí)，若信號(hào)本身的功率不夠準(zhǔn)確，在上下限制線之外的，也會(huì)被判定為失敗，若需要更準(zhǔn)確的頻率判定精度，可選取小一些的RBW，如圖8所示，30kHz的RBW可非常明顯的區(qū)分±5kHz的頻率誤差。
圖8 利用30kHz的RBW區(qū)分正負(fù)5kHz頻率誤差
這種零SPAN的通過(guò)測(cè)試設(shè)置方法唯一有可能疏漏的信號(hào)是功率偏大，同時(shí)又有頻偏的信號(hào)。頻偏造成的擷取衰減若剛好將其功率過(guò)大的部分衰減到標(biāo)準(zhǔn)功率范圍，則會(huì)被測(cè)試判為通過(guò)，從而造成誤判，若能先用之前所述的單純測(cè)試功率方法判斷信號(hào)功率，再用零頻跨的方法判斷其頻率，這樣就能將所有在功率或頻率上不符合標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)全部被判為失敗，使通過(guò)測(cè)試高效而準(zhǔn)確。
然而，并不須在產(chǎn)在線用兩臺(tái)頻譜分析儀先后做測(cè)試，廠商推出的頻譜分析儀為用戶提供了一套簡(jiǎn)便實(shí)用的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(SEQ)，只須從前面板設(shè)置好測(cè)量順序設(shè)定，再經(jīng)過(guò)一鍵操作，儀器會(huì)方便地單次或連續(xù)運(yùn)行不同的測(cè)量設(shè)定，抑或由使用者指令一步步地運(yùn)行整個(gè)測(cè)量步驟。
如圖9所示，畫面所顯示的內(nèi)容即是頻譜分析儀SEQ菜單下的編輯接口。在接口下方的編輯方塊中，可以逐步設(shè)定頻譜儀測(cè)量的具體步驟及每一步的參數(shù)設(shè)置，并通過(guò)延遲時(shí)間的設(shè)置設(shè)定每一步測(cè)量等待時(shí)間。由于本文范例須做產(chǎn)在線的通過(guò)測(cè)試，所以在進(jìn)行SEQ測(cè)量之前首先要將設(shè)置好的限制線打開。圖9中編輯完成SEQ的測(cè)試程序后，點(diǎn)擊執(zhí)行按鈕，選擇重復(fù)測(cè)試并立即執(zhí)行，頻譜儀就開始運(yùn)行自動(dòng)測(cè)量。
圖9 SEQ菜單下之編輯接口
在TPMS的測(cè)試中，信號(hào)的頻率比本文的范例高，但實(shí)際的測(cè)量方法沒(méi)有區(qū)別，測(cè)量的功率精度可以達(dá)到0.1dBm、頻率精度可以達(dá)到1kHz。在幾百兆Hz頻率的信號(hào)測(cè)量中，kHz級(jí)別的精度一般能滿足絕大多數(shù)測(cè)量需求，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活當(dāng)中，類似TPMS工作信號(hào)的長(zhǎng)間隔高頻瞬時(shí)信號(hào)很常見(jiàn)，應(yīng)用也非常廣泛。如何利用射頻工程師手邊常見(jiàn)的頻譜分析儀對(duì)此類信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的測(cè)量，在產(chǎn)在線能低成本、高效率地完成相關(guān)產(chǎn)品此類信號(hào)的質(zhì)量檢測(cè)，本文從參數(shù)測(cè)量、單一測(cè)量試、直至綜合測(cè)試，提出一系列操作的參考方法，所涉及的大都是諸如RBW、SPAN等常用設(shè)置，較為實(shí)用也較易操作。
