利用labview為太陽能車開發(fā)遙測(cè)系統(tǒng)
概述：使用1組NI CompactRIO控制器與8槽式機(jī)箱，監(jiān)控車輛的電壓、電流、溫度，與速度，再透過2.4 GHz數(shù)據(jù)機(jī)，將資訊無線傳送至太陽能車后方的追蹤車輛。

遙測(cè)(Telemetry)
WSC 與其他太陽能車賽不同之處，乃是團(tuán)隊(duì)完成達(dá)爾文(Darwin) 到阿德雷得(Adelaide) 共3,000 公里的距離；亦表示比賽期間可能隨時(shí)發(fā)生問題，甚至影響車輛能否完成賽事。使用CompactRIO 可重設(shè)機(jī)箱與NI LabVIEW 軟體，我們開發(fā)的搖測(cè)系統(tǒng)可監(jiān)控、記錄，并傳輸資料，以隨時(shí)反應(yīng)太陽能電池的狀態(tài)(如上圖1 )。受監(jiān)控的資料可觸發(fā)警示，在問題發(fā)生之前避免之；因此該筆即時(shí)資料可協(xié)助團(tuán)對(duì)隨時(shí)擬定佳對(duì)策，以縮短除錯(cuò)時(shí)間。同時(shí)系統(tǒng)亦將監(jiān)控并記錄駕駛的動(dòng)作，以利賽后分析。
研發(fā)
雖然太陽能車本身的機(jī)械與電力資料，即為搜集與分析要點(diǎn)，但由于電子資料才是打造車輛的關(guān)鍵比賽要素，所以我們額外注重電子資料。我們所搜集的資料，包含設(shè)計(jì)階段的電池與太陽能電池，還有電池的體積與其效能曲線均有。在賽程中搜集到的即時(shí)資料，有助于我們佳化車輛的性能，亦可比較車輛實(shí)際規(guī)格與設(shè)計(jì)規(guī)格之間的差異。另外，策略團(tuán)隊(duì)則使用此資料搭配天氣預(yù)測(cè)，以計(jì)算出理想的賽程速度。我們并透過CompactRIO 內(nèi)建記憶體而記錄所有資料，以利賽后分析并供未來改進(jìn)之用。
使用CompactRIO 與可重設(shè)機(jī)箱
因?yàn)镃ompactRIO能在可客制化輸入通道上整合即時(shí)資料擷取功能，亦可記錄并傳輸資料，所以我們選用CompactRIO。而NI cRIO-9104 - 8槽式機(jī)箱可安裝任何必要模組，以滿足我們的監(jiān)控需求。透過多款NI模組，我們可隨著專案發(fā)展而調(diào)整機(jī)箱，并著重于太陽能車的不同面向。NI cRIO-9014 - Real-Time控制器另內(nèi)建記憶體與多種I/O，可提供彈性介面與次要的資料儲(chǔ)存媒體。
我們的客制化機(jī)箱包含1組SEA cRIO-GPS+模組，可即時(shí)提供車輛位置；1組NI 9870序列介面模組，具備RS232介面，可擷取電池監(jiān)控系統(tǒng)的資料；1組NI 9401數(shù)位I /O模組，可透過馬達(dá)控制器端點(diǎn)取得車輛速度，并輸出資料；4個(gè)NI 9219類比I/O模組，可監(jiān)控火星塞、剎車、電流，與太陽能電池陣列的電壓；還有1個(gè)NI 9211熱電偶模組，可感測(cè)車輛周圍的溫度。我們另透過NI 9219通用類比I/O模組，以高度與解析度監(jiān)控多種資料，包含電壓、電流、溫度，與電阻。
利用LabVIEW FPGA Module 進(jìn)行程式設(shè)計(jì)
使用LabVIEW FPGA Module即可迅速且輕松設(shè)計(jì)此系統(tǒng)。另外，Express VI具備捷徑功能，可讓使用者迅速變更程式以滿足需求。此外，我們?cè)趩?dòng)CompactRIO時(shí)隨即執(zhí)行程式，讓整個(gè)系統(tǒng)成為無線架構(gòu)，而不需實(shí)際接至系統(tǒng)再手動(dòng)開始程式。我們雖屬業(yè)余團(tuán)隊(duì)且程式設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有限，但直覺且圖形化的圖示與接線，都讓我們能加快程式設(shè)計(jì)的速度且趣味盎然。因?yàn)椴⒎撬心＝M都支援CompactRIO的Scan Mode，所以我們透過FPGA程式設(shè)計(jì)模式，整合了共8個(gè)模組。我們檢視由追蹤車即時(shí)搜集的資料，再根據(jù)公式化的程式擬定比賽策略(圖2)。

圖2. 追蹤車上的即時(shí)資料
應(yīng)用
在專案設(shè)計(jì)階段，我們使用CompactRIO 控制器記錄太陽電池的效能，以建立電池于不同氣候條件下的效能曲線。我們連接電池與系統(tǒng)，以了解不同溫度下的放電情形，并于每次試駕時(shí)記錄駕駛的動(dòng)作，以協(xié)助團(tuán)隊(duì)判別駕駛行動(dòng)是否正確。
因?yàn)檐囕v完全由太陽能供電，我們將電子設(shè)備的耗電量降至低，讓馬達(dá)獲得大部分的電力，才能完成賽程?？椭苹? 槽式機(jī)箱可擷取如GPS、電池資訊、太陽能電池狀態(tài)、馬達(dá)效能，與駕駛動(dòng)作的資料。接著將所有資料儲(chǔ)存于cRIO-9014 – Real-Time 控制器內(nèi)建的2 GB 記憶體，同時(shí)透過LabVIEW VI 將資料格式化為字串，再透過低耗電的2.4 GHz 無線電數(shù)據(jù)機(jī)，將資料傳輸?shù)阶粉欆嚿?圖3)。

圖3. 遙測(cè)系統(tǒng)的程式區(qū)塊圖

Real-Time 控制器具備足夠的儲(chǔ)存空間，追蹤車上亦裝備1 組筆記型電腦。策略團(tuán)隊(duì)在追蹤車上分析資料，并參考如道路、駕駛，與天候狀況的外部因素，以決定車行速度。
完成所有試駕之后，我們接著分析資料并微調(diào)太陽能車的機(jī)械元件，如調(diào)整車輪、轉(zhuǎn)向靈敏度、懸吊，與胎壓，以提升太陽能車的性能。透過LabVIEW，我們可模擬澳洲所有的可能天候狀況，這樣我們更能有效評(píng)估太陽能陣列所提供的電力與功率。此外，我們也會(huì)在賽事過后分析所得的資料，以進(jìn)一步強(qiáng)化新一代的太陽能車。
結(jié)論
因?yàn)槲覀冊(cè)谶@個(gè)專案使用即時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，且太陽能車所能提供的資料范圍太過廣泛，所以我們初并無法確定主要的焦點(diǎn)為何。隨著專案的進(jìn)展，我們于競(jìng)賽與設(shè)計(jì)階段，均透過CompactRIO 繪制出電池在不同溫度下的放電率圖表，并借以了解自制太陽能矩陣的效能。本專案從設(shè)計(jì)、實(shí)際比賽，到后續(xù)分析的所有階段，CompactRIO 實(shí)在助益良多。我們成功使用CompactRIO 為太陽能車開發(fā)了監(jiān)控系統(tǒng)，且針對(duì)未來的更多太陽能專案，我們亦準(zhǔn)備繼續(xù)使用相同的機(jī)箱與控制器。

我們使用 NI LabVIEW 與 NI TestStand 開發(fā)靈活的軟件架構(gòu)，以解決目前及未來的測(cè)試需求。這套軟件的功能眾多，能夠測(cè)試不同版本的產(chǎn)品，以及開放式與封閉式硬件。使用 NI TestStand，我們可以利用商業(yè)可用的測(cè)試執(zhí)行功能來節(jié)省開發(fā)時(shí)間。
使用定制化的操作界面，操作員可以登陸、載入選出的測(cè)試序列，然后監(jiān)控測(cè)試過程。界面也會(huì)提供即時(shí)資料更新給操作員、生成測(cè)試報(bào)告，然后將所有的測(cè)試資訊記錄到資料庫中，供日后分析之用。我們?cè)?LabVIEW 中撰寫個(gè)別的測(cè)試，這也可以節(jié)省開發(fā)時(shí)間，因?yàn)槲覀儞碛旋嫶蟮暮瘮?shù)庫可以測(cè)量、與硬件連接、分析結(jié)果，以及顯示。通過模塊化操作界面進(jìn)行序列控制，并將其與個(gè)別測(cè)試模塊分開，我們便能將開發(fā)的成果使用于更多有類似測(cè)試需求的產(chǎn)品上。以統(tǒng)一的格式記錄所有的數(shù)據(jù)，我們的研發(fā)與生產(chǎn)工程師就能進(jìn)行分析并找出趨勢(shì)，并制作生產(chǎn)收益的報(bào)告。他們也會(huì)使用數(shù)據(jù)分析失敗原因，并在設(shè)備制造的過程中找出待改進(jìn)之處。記錄中擁有所有的測(cè)試資料，包含使用的序列、參數(shù)、測(cè)試儀器的校正日期、測(cè)試時(shí)間，以及產(chǎn)品的通過 / 失敗狀態(tài)。

擷取的資料暫時(shí)儲(chǔ)存在CompactRIO 的內(nèi)部快閃硬碟中，然后透過無線連結(jié)自動(dòng)下載到主要伺服器中，資料在主要伺服器中處理、與更多復(fù)雜的警報(bào)參數(shù)比較，然后儲(chǔ)存在資料庫中。如果無法無線連結(jié)到伺服器時(shí)，使用者可以透過短程、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無線連結(jié)(使用者靠近機(jī)器鏟以建立連結(jié)) 連上并手動(dòng)下載資料；接上乙太網(wǎng)路連接線，或是在CompactRIO的USB 插槽上插入隨身碟，資料便會(huì)自動(dòng)上傳。<0}
資料一旦處理儲(chǔ)存好了，就可以供下列之用：使用者視覺化、分析、手動(dòng)處理，以及在伺服器上進(jìn)行趨勢(shì)管理，或是有網(wǎng)路可存取資料庫的電腦，也可進(jìn)行趨勢(shì)管理。所有的組態(tài)、資料移轉(zhuǎn)、處理、視覺化與分析軟體都充分內(nèi)建在LabVIEW 里。

CompactRIO模塊
渦輪增壓器性能中重要的變量包含溫度、壓力和轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)組件包含多個(gè)NI C系列模塊，包括NI 9217 RTD模擬輸入模塊測(cè)量電阻溫度傳感器（RTD）溫度、NI 9211熱電偶輸入模塊測(cè)量熱電偶溫度、NI 9203數(shù)據(jù)采集模塊測(cè)量壓力和電流、NI 9423漏極數(shù)字輸入模塊測(cè)量轉(zhuǎn)速。此外，還采用了NI 9265同步更新模擬輸出模塊作為系統(tǒng)和模擬輸出值的外部接口，NI 9425漏極數(shù)字輸入模塊和NI 9476源數(shù)字輸出模塊用于數(shù)字I/O值。檢測(cè)系統(tǒng)由系統(tǒng)操作員通過用戶界面進(jìn)行控制。監(jiān)視外部系統(tǒng)使得用戶可以控制和管理整個(gè)系統(tǒng)。
結(jié)論
渦輪增壓器是車輛引擎的重要部分，其性能直接影響整個(gè)引擎的性能。對(duì)渦輪增壓器性能進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)試是確保終產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。以前的PLC系統(tǒng)無法提供所需的精度。使用基于CompactRIO的全新檢測(cè)系統(tǒng)替換PLC系統(tǒng)節(jié)省了空間，并且提供了更高的精度、更高的分辨率和更好的性能。此外，由于系統(tǒng)開發(fā)員熟悉CompactRIO的開發(fā)方法，可以在短時(shí)間內(nèi)讓系統(tǒng)開始運(yùn)行，這樣節(jié)省了時(shí)間和開發(fā)資源。

透過LabVIEW，我們可量測(cè)香蕉的電容而決定水果的成熟度。而且平行電容板之間的距離，將高度影響量測(cè)結(jié)果。后我們發(fā)現(xiàn)，若電容板之間達(dá)4公分將可產(chǎn)生正確的結(jié)果。電容與電壓量測(cè)作業(yè)，既且不會(huì)損壞水果，實(shí)為合適的量測(cè)技術(shù)
使用LabVIEW 與NI CompactDAQ 測(cè)試小型牽引機(jī)的噪音與振動(dòng)
概述：使用LabVIEW and NI CompactDAQ模組架構(gòu)的可攜式資料擷取系統(tǒng)記錄測(cè)試參數(shù)并且根據(jù)受測(cè)的單元與組態(tài)產(chǎn)生報(bào)告。

我們選擇LabVIEW 架構(gòu)的可攜式DAQ 系統(tǒng)，且NI CompactDAQ 模組可輕松攜帶至戶外測(cè)試場(chǎng)地。系統(tǒng)將記錄測(cè)試參數(shù)，并根據(jù)受測(cè)單元與組態(tài)產(chǎn)生報(bào)告。另外，我們也可重新設(shè)定系統(tǒng)，以用于如振動(dòng)量測(cè)的其他應(yīng)用。
LabVIEW 圖形化程式設(shè)計(jì)的特性，讓我們可輕松學(xué)習(xí)，且軟體亦可無限制客制化。因?yàn)槿绱?，我們功能以NI 軟體工程師撰寫的程式迅速上手，再針對(duì)自己的需求客制化其輸入與輸出，針對(duì)各個(gè)特定測(cè)試產(chǎn)生所需的報(bào)表。
牽引機(jī)噪音滿足多項(xiàng)排放標(biāo)準(zhǔn)，而為保護(hù)使用者所訂定的引擎噪音也有多種規(guī)范。售往歐洲的牽引機(jī)，先通過完整的測(cè)試，除了表明該設(shè)備已符合特定的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，并需標(biāo)示其他測(cè)試中的聲音功率強(qiáng)度。這些規(guī)范可避免機(jī)器損害使用者的聽力，且若人體長(zhǎng)期暴露于高噪音與高振動(dòng)的環(huán)境中，往往會(huì)對(duì)身體造成不良的影響。
聲音功率量測(cè)
適用于聲音功率的LabVIEW 參考函式庫VI，加上NI Sound and Vibration Measurement Suite，可讓我們按照ISO-3744 的標(biāo)準(zhǔn)，透過聲源周圍的麥克風(fēng)陣列，而計(jì)算出聲音功率。聲音功率代表由聲源所發(fā)出的聲音能量強(qiáng)度，并可用于大多數(shù)的環(huán)境噪音測(cè)試作業(yè)。在受測(cè)聲源周圍，排列出既定幾何圖案的麥克風(fēng)陣列，即可進(jìn)行量測(cè)作業(yè)。我們將麥克風(fēng)所測(cè)得的聲壓強(qiáng)度(dB ref 20 μPa) 加以平均，隨即得出聲音功率強(qiáng)度(dB ref 1 pW)。
此標(biāo)準(zhǔn)另說明麥克風(fēng)幾何形式的大小與形狀，還有修正背景噪音的方式。在計(jì)算總聲音功率強(qiáng)度之前，我們平均表面區(qū)域的聲壓強(qiáng)度，以獲得表面的平均分?jǐn)?shù)倍頻頻譜。在得出表面的平均分?jǐn)?shù)(Octave) 頻譜之后，即可測(cè)定全部的聲音功率強(qiáng)度。聲音強(qiáng)度的量測(cè)結(jié)果，可透過各個(gè)頻帶(Band) 中的聲音強(qiáng)度，呈現(xiàn)為總強(qiáng)度或分?jǐn)?shù)倍頻頻譜。我們使用內(nèi)建的參照函式庫VI，并由NI 工程師協(xié)助使用LabVIEW，客制化聲音功率的量測(cè)程式。
測(cè)試場(chǎng)地
我們于草地上建造半徑13 公尺的戶外水泥測(cè)試地。每6 個(gè)麥克風(fēng)為1 組陣列，并安裝于三腳架上，且其中2 組三腳架約為518 公分(17 英尺) 高。為了設(shè)置測(cè)試作業(yè)，我們使用自己設(shè)計(jì)的容器安裝并保護(hù)的腳架、連接線、麥克風(fēng)、筆記型電腦，與測(cè)試小桌。我們共設(shè)置6 組麥克風(fēng)腳架，并有連接線將各組麥克風(fēng)連至DAQ 機(jī)箱。完成參考量測(cè)以校準(zhǔn)系統(tǒng)之后，隨即開始測(cè)試。