基于LabVIEW的汽車懸架無線動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

鄧召文　楊澤宇　張書乾　孟廣輝　余思家

摘 要：開發(fā)設計一套基于LabVIEW的汽車懸架無線動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用數(shù)據(jù)采集卡NI9215的BNC接口實現(xiàn)與傳感器的連接，通過通訊數(shù)據(jù)發(fā)射器NI WLS-9163實現(xiàn)與監(jiān)控計算機的無線連接，基于LabVIEW編寫程序，完成汽車減震器壓縮量數(shù)據(jù)實時采集、記錄和回訪功能，再通過對壓縮量數(shù)據(jù)的計算分析，實時獲取車輛輪胎跳動曲線、輪胎載荷譜以及車輪振動頻譜曲線等信息。試驗證明系統(tǒng)準確可行，符合實際情況，實現(xiàn)了車輛懸架系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)控與分析，解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊布線困難、裝機復雜等缺點，具有一定的實用性。

關鍵詞：汽車懸架；懸架數(shù)據(jù)采集；無線數(shù)據(jù)采集；LabVIEW

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8023（2018）05-0106-08

Abstract： The wireless dynamic data acquisition system of automobile suspension was developed based on LabVIEW. The BNC interface of data acquisition card NI9215 was connected to sensors， the system was connected wirelessly to the monitor computer through the communication data transmitter NI WLS-9163. The real-time acquisition， recording and playback of dynamic vehicle shock absorber compression amount were accomplished by LabVIEW， and the compression data was calculated and analyzed， the tire jumping travel， tire load and frequency spectrum curve information were calculated and obtained real-time. The system was accurate and feasible， and it met the actual situation， and realized the monitoring and analysis of the dynamic data of the vehicle suspension system. The system has a certain practicality with solving the shortcomings of difficulty wiring and complexity mounting for traditional data acquisition module.

Keywords： Automobile suspension； suspension data acquisition； wireless data acquisition； LabView

0 引言

懸架系統(tǒng)對汽車的行駛平順性、操縱穩(wěn)定性等使用性能都有很大影響[1]。車輛懸掛系統(tǒng)的設計開發(fā)在大學生方程式賽車（FSAE）開發(fā)過程中占有舉足輕重的地位。FSAE賽車因考慮空間布局及其它因素，所以都采用獨立懸架，其操縱穩(wěn)定性要求較高[2-3]；懸架系統(tǒng)的性能直接影響賽車的安全性、舒適性和穩(wěn)定性。實時采集并分析懸架系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù)信息，實時監(jiān)控汽車的行駛狀況，實現(xiàn)對汽車設計改進的信息反饋，達到優(yōu)化汽車參數(shù)和整車試驗驗證的目的，以滿足苛刻的賽事要求并不斷提升賽車性能。

車載式汽車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有準確、可靠、體積小和便于拆卸等優(yōu)點，在檢測、測控、故障診斷和自動化控制等領域虛擬儀器技術得到了較為普遍的應用。在汽車懸架性能測試開發(fā)過程中，翟乃斌應用虛擬儀器技術，基于LabVIEW開發(fā)設計了一款汽車懸架數(shù)據(jù)動態(tài)采集系統(tǒng)，達到了汽車懸架系統(tǒng)的動態(tài)實時監(jiān)控功能[4]。鄧召文等基于虛擬儀器技術實現(xiàn)了賽車懸掛系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù)采集功能，單片機編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，通過無線模塊、串口通訊與NI虛擬儀器實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[5]。長安大學開發(fā)了一套以labview軟件為開發(fā)平臺，加上必需的傳感器和數(shù)據(jù)采集板等組成測控系統(tǒng)的混合動力電動汽車硬件電路，以及包括數(shù)據(jù)采集、信號分析和處理、數(shù)據(jù)文件存儲和文件讀取等組成的軟件電路的汽車懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以對汽車懸架中的彈性元件、減振器及其組合進行經(jīng)常性的檢測，使其保持良好的功用狀態(tài)[6]。武漢理工大學開發(fā)的運行參數(shù)記錄分析系統(tǒng)，以NI公司的labview為軟件基礎，設計了外圍接口路、信號調(diào)理電路，由數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號采集，在PC機上可以保存、回訪電動汽車運行時的傳感器信號和二次儀表信號，實現(xiàn)電動汽車運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和統(tǒng)計分析功能[7]。本文開發(fā)設計了一套基于LabVIEW的FSAE賽車懸架系統(tǒng)無線動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)采集卡NI9215的BNC接口實現(xiàn)與傳感器的連接，再通過通訊數(shù)據(jù)發(fā)射器NI WLS-9163實現(xiàn)與監(jiān)控電腦PC機的無線傳輸，基于虛擬儀器技術實現(xiàn)賽車減震器壓縮量的實時動態(tài)采集、監(jiān)控、記錄回放，并對采集到的減震器壓縮量進行數(shù)據(jù)分析，可得到輪芯跳動行程（輪芯跳動量）、車輪載荷大小與時間函數(shù)關系及車輪振動頻譜曲線等信息。

1 懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能設計

與傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)人車分離，即駕駛員駕駛車輛，工作人員在距離車輛一定范圍內(nèi)可以通過相關設備同步監(jiān)控懸架系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，判斷當前狀況下的車輛狀態(tài)，實現(xiàn)調(diào)教賽車平順性和操縱穩(wěn)定性目的。為方便測量和懸架參數(shù)優(yōu)化，選取減震器壓縮量作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集對象，為了實現(xiàn)對賽車穩(wěn)態(tài)響應特性的調(diào)整，依據(jù)車輪跳動行程和車輪載荷計算公式獲得車輪跳動行程和車輪載荷，為了實現(xiàn)對懸架振動偏頻的調(diào)整，再對減震器壓縮量進行頻譜分析，故將采集系統(tǒng)的輸出量確定為車輪跳動行程、車輪載荷和頻譜曲線。

車輪跳動行程可以通過減震器壓縮量間接計算得到，如公式（1）所示[5]。

2 懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計

開發(fā)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構如圖1所示，主要包括直線位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、無線模塊和PC機等。

2.1 無線數(shù)據(jù)采集模塊

在FSAE賽車上的四個減震器的壓縮量都需要測量，同時為了便于獲取更加精確的數(shù)據(jù)，因此選擇具有4個差分模擬輸入通道的NI9215。連接正極電壓信號至AI+，負極電壓信號至AI–。BNC接口的NI9215帶有可使電壓源值位于共模范圍內(nèi)的內(nèi)部電路。NI9215的各通道共地，該公共地與系統(tǒng)中的其它模塊相隔離，能夠?qū)崿F(xiàn)對每個通道的過壓保護。為了實現(xiàn)對四路通道信號的同步采樣，每個信號采集通道都帶有獨立的跟蹤/保持放大器。

通過鉸接式直線位移傳感器產(chǎn)生的電壓信號傳給數(shù)據(jù)采集卡，將鉸接式直線位移傳感器與電荷放大器連接，將電荷放大器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，并將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接到計算機（PC機）上，操作NI9215數(shù)據(jù)采集測試軟件，得到鉸接式直線位移傳感器的變化信號。為了實時獲取汽車運行過程中動態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸方式必須采用不受距離限制的無線傳輸模式。故選用NI WLS-9163無線發(fā)射器，其參數(shù)頻率為433MHz、電壓5～12V、功率600mW。

本系統(tǒng)是基于虛擬儀器的汽車振動測試分析系統(tǒng)，包括4個鉸接式直線位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡（Ni9215）、無線通訊數(shù)據(jù)發(fā)射器（NI WLS- 9163）和監(jiān)控計算機（PC端LabVIEW）。其特征在于：所述的4個鉸接式直線位移傳感器通過加長螺釘或卡具連接車輛懸架旁減震器位置，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號后輸出到無線通訊數(shù)據(jù)采集卡（Ni9215），通過無線網(wǎng)絡（Ni WLS-9163無線數(shù)據(jù)發(fā)射器）與監(jiān)控計算機完成通訊連接；監(jiān)控計算機通過LabVIEW軟件程序，獲取各傳感器讀到的位移信號并進行計算分析處理。因此需要對傳感器和采集卡供電部分、接口部分進行處理，還需對傳感器進行標定，設置無線模塊。

2.2 供電模塊

為了實現(xiàn)上述功能，首先對無線數(shù)據(jù)采集卡NI WLS-9163的電源進行改裝，原來是100-240V的輸入電壓和12V的輸出電壓。考慮到便攜與簡便性，使用充電移動電源進行供電，市面上的充電移動電源大多提供5v的電壓，用到XL6009可調(diào)電源模塊（如圖2所示），該模塊用小容量的濾波電容既能達到非常好的效果，波紋更低，體積更小。通過該模塊使充電移動電源提供的5V輸入轉(zhuǎn)換為無線數(shù)據(jù)采集卡NI WLS-9163所需的12V電壓。

可調(diào)電源模塊各組成部分說明：①XL6009電源模塊（增壓），②5A DC-DC可調(diào)降壓電源模塊實現(xiàn)降壓目的，結構如圖3所示；③充電移動電源供電線（5V）；④無線數(shù)據(jù)采集卡NI WLS-9163供電線（12V）；⑤4個鉸接式直線位移傳感器供電線（5V）。為了保證傳感器參考電壓的穩(wěn)定性，沒有采用直接從充電移動電源給位移傳感器供電的方式，而是先通過升壓給無線數(shù)據(jù)采集卡NI WLS-9163供電，然后通過降壓模塊再將電壓降至5V給傳感器供電，通過這樣的方式供電，無論使用什么樣的充電移動電源，傳感器的參考電壓不會改變，這樣測量出來的數(shù)據(jù)更加真實準確。

2.3 接口部分

因為數(shù)據(jù)采集卡NI9215采用的是BNC接口，在傳感器上也使用BNC接口使之與其相連，在連接時將傳感器上的黑色OUTPUT線接連接在BNC接口中間位置，藍色OV（COM）連接接地。這樣便完成了數(shù)據(jù)采集卡信號輸入接口的連接。由于該數(shù)據(jù)采集卡只能提供4個差分模擬輸入通道，因此需要給4個傳感器單獨供電，使用電源DC插頭連接傳感器上的棕色（+V）端，再使用一分四DC電源連接線與傳感器相連接，一分四DC電源連接線的電源輸入與圖2中可調(diào)電源模塊的位置⑤相連。

2.4 傳感器標定

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由傳感器和有關測量儀器組成，為確保采集精度，在采集之前必須進行必要的標定工作。所謂‘標定，就是利用某些法定意義的標準器具對系統(tǒng)進行準確度，精密度等方面的實驗，以確定系統(tǒng)的輸入，輸出關系以及在不同使用條件下的誤差關系等[14]。

測量減震器壓縮量選擇使用的是邁恩的KPM-75 mm微型鉸接直線位移傳感器，該傳感器精度高、無溫漂，可靠性高。特別適用于安裝空間狹小，本體無法固定，運動有擺動的場合，適合于FSAE賽車懸架處安裝。根據(jù)位移傳感器的參數(shù)表得知有效行程為75.5 mm，兩端有2 mm的緩沖行程。首先將位移傳感器兩端固定在導軌上，這樣標定的結果更加準確。然后使用游標卡尺測量并記錄其位移量與相對應的電壓值，每個傳感器分別測量其拉程和回程的數(shù)據(jù)，然后使用線性差值法對其標定。對傳感器的標定過程和最后得到傳感器線性擬合曲線分別如圖4和圖5所示。

2.5 無線模塊設定

采用的是NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集板卡（DAQ），連接無線數(shù)據(jù)采集卡時，先通過標準CAT-5以太網(wǎng)線纜將設備與計算相連，在網(wǎng)絡NI-DAQmx中查找并添加該設備，然后打開網(wǎng)絡配置選項卡，選中無線打開復選框，啟用無線功能，并配置無線數(shù)據(jù)采集卡，當設備的WLS LINK 指示燈亮起時表示已連接驗證網(wǎng)絡[15-16]。

3 懸架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件總體設計

本文開發(fā)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計算處理、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)分析及打印等功能。軟件采用模塊化設計思路，先根據(jù)各個模塊的功能設計方案，再完成各個功能模塊子VI的編程。在主程序中，采用條件結構實現(xiàn)對各功能的選擇，子VI模塊可以在主程序中直接調(diào)用。系統(tǒng)軟件總體設計方案如圖6所示。

3.2 主要程序模塊

懸掛系統(tǒng)輪胎壓縮行程數(shù)據(jù)的采集采用微型鉸接式直線位移傳感器，傳感器輸出的電壓信號送入數(shù)據(jù)采集卡，通過LabVIEW數(shù)據(jù)處理模塊，將電壓信號轉(zhuǎn)換為實際減震器壓縮量并將數(shù)據(jù)記錄并顯示。由輪胎壓縮數(shù)據(jù)計算分析輪芯跳動行程和輪胎載荷譜，再將計算分析出的信號利用波形圖表進行顯示，最后采用TXT文件記錄方式，將接收的數(shù)據(jù)儲存至TXT文件中，以方便調(diào)用和數(shù)據(jù)分析。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

四套微型鉸接式直線位移傳感器采集的數(shù)據(jù)類型為雙精度二維數(shù)組。同時將車輛四個減震器的壓縮量通過傳感器的4個采集通道的電壓值表示，將4組數(shù)列合并成二維數(shù)組，設置4個物理通道，每通道采集量（每通道每秒采集量）設置為1 000，采集速度10 000，采集模式為連續(xù)采集。最后在循環(huán)外設置DAQmx停止任務和DAQmx清除任務，VI將中止該任務，使其返回DAQmx開始任務運行之前的狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖如圖7所示。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理子VI模塊具有計算和顯示功能。計算模塊包括輪芯跳動量、輪胎載荷譜、車輪載荷極值計算；顯示模塊包括所有動態(tài)數(shù)據(jù)曲線波形和有效數(shù)據(jù)顯示。開發(fā)的數(shù)據(jù)處理模塊程序框圖如圖8所示。將采集到的4組信號分別與傳感器標定比例相乘，得到的數(shù)值為各減震器的壓縮量，將二維數(shù)組拆分成4個子數(shù)組，再計算解析出的壓縮量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)輪芯跳動行程和輪胎載荷譜的計算。最后將信號合并用波形圖表進行顯示。

3.2.3 數(shù)據(jù)保存模塊

數(shù)據(jù)保存模塊是為了儲存采集數(shù)據(jù)，對汽車的運動狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)隨時的調(diào)用和回放功能。需要記錄的數(shù)據(jù)為采樣時間、輪胎跳動行程和最大載荷等。調(diào)用時通過“讀取文本文件”函數(shù)讀取文本文件中的數(shù)據(jù)，并用波形圖表顯示。軟件以100 ms為間隔記錄車輛懸架數(shù)據(jù)，儀器在車輛運動前記錄初始懸架位置，然后開始記錄減震器壓縮量。為便于數(shù)據(jù)分析，程序保存減震器壓縮量的變化值。由于ADAMS等仿真軟件一般需要用時間參數(shù)確定位移。另外保存在同一個TXT里，便于MATLAB等軟件打開。

3.2.4 頻譜分析模塊

軟件編程是組建虛擬頻譜分析系統(tǒng)的關鍵，本文需要根據(jù)功能要求編制相應的功能模塊[17]，基于虛擬儀器技術調(diào)用動態(tài)鏈接庫的波形數(shù)據(jù)[18]， 實現(xiàn)頻譜分析功能。頻譜分析模塊是對采集到的各輪的減震器壓縮量和車輪跳動行程進行頻譜分析，通過選項卡控件選擇要分析的數(shù)據(jù)，主要是功率譜和幅值譜的分析。頻譜分析模塊程序框圖如圖9所示，得到的懸架數(shù)據(jù)采集模塊前面板、數(shù)據(jù)記錄保存模塊前面板和頻譜分析模塊前面板分別如圖10、11、12所示。

4 實驗調(diào)試與系統(tǒng)驗證

4.1 實驗調(diào)試

將位移傳感器平行放置安裝到FSAE賽車的減震器邊，后輪懸架使用加長螺釘固定，前輪懸架使用特殊設計的U形卡槽固定傳感器，前后輪位移傳感器的安裝分別如圖13和圖14所示。連接無線采集卡與傳感器，將傳感器和電源置于駕駛室右側(cè)支架空隙處。將得到的信號通過無線數(shù)據(jù)采集卡的無線發(fā)射器（NI WLS-9163 模塊）發(fā)送給電腦端進行分析記錄，開啟記錄模式記錄傳感器數(shù)據(jù)以便分析調(diào)用。賽車在場地行駛時，傳感器采集到的信號經(jīng)無線數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送到電腦NI軟件界面，在數(shù)據(jù)測試之前需要對減震器壓縮量初始采樣值進行重新設置修訂[19]，使采集數(shù)據(jù)準確可靠，減震器壓縮量必須保證在0～30 mm之間，同時采集到的輪胎載荷不得大于800 N。

4.2 系統(tǒng)驗證

為了驗證開發(fā)的懸架數(shù)據(jù)無線采集分析系統(tǒng)的可行性，將系統(tǒng)采集到的減震器壓縮量數(shù)據(jù)通過計算機顯示，并通過公式單獨計算車輪跳動行程（輪芯跳動量）、輪胎載荷；將無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測得的輸出結果與公式計算結果進行對比，如果誤差合理，即驗證系統(tǒng)準確。選取實測的一段采樣值進行對比分析：AA12.307 BB14.520 CC4.197 DD6.571，將單獨計算結果與采集系統(tǒng)處理結果對比，對比結果見表1。由表1可知，采集系統(tǒng)顯示結果與單獨計算值結果一致，證明所開發(fā)的懸架數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)準確可行。

5 結論

（1）采集系統(tǒng)顯示結果與單獨計算值結果一致，且系統(tǒng)采集輸出數(shù)據(jù)大小范圍均符合實際情況。

（2）無線動態(tài)數(shù)據(jù)采集車輛懸架動態(tài)數(shù)據(jù)，解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊布線困難、裝機復雜等缺點。

（3）系統(tǒng)可實現(xiàn)車輛懸架系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)控與分析，系統(tǒng)準確可行，具有一定的實用性。

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