基于LabVIEW的智能車檢測系統(tǒng)的設(shè)計

莫天豪，張 丹，徐錦成，王 程，靳 永

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院，江蘇 南京 210046）

0 引言

有刷電機(jī)[1]的應(yīng)用非常廣泛，但由于電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在故障多、壽命短、易產(chǎn)生電磁干擾等問題。在正常測試中，車模上的直流小型有刷電機(jī)因為電機(jī)內(nèi)部過熱，經(jīng)常會產(chǎn)生故障。在智能車競賽中[2]，車模跑完幾圈賽道后，經(jīng)常會沖出賽道，沒有按照預(yù)定軌跡行駛。經(jīng)排查得出，比賽場所室內(nèi)溫度過高加上長時間高速運(yùn)行導(dǎo)致車體磨損，使車模電機(jī)出現(xiàn)了問題。電機(jī)頻繁地出問題常常會導(dǎo)致參賽者耗費(fèi)大量的時間在車體檢查上。為提高排查問題的效率，設(shè)計基于LabVIEW 的智能車檢測系統(tǒng)，可快速地檢測出車體是否可以正常運(yùn)行。

1 檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

檢測系統(tǒng)是以比賽車模作為研究對象，系統(tǒng)總體分為硬件數(shù)據(jù)采集平臺和軟件開發(fā)操作界面。圖1 為系統(tǒng)構(gòu)成的總體框圖。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成總體框圖

檢測系統(tǒng)運(yùn)行的過程是在智能車電源供電后，額定電流通過主要的控制芯片使電機(jī)按照設(shè)定程序正常工作，同時通過加速度傳感器拾取電機(jī)上產(chǎn)生的振動信號并轉(zhuǎn)化成電信號，然后通過信號轉(zhuǎn)換器把電信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，再利用PXI 數(shù)據(jù)采集卡接收模擬信號。在電腦端上位機(jī)采用LabVIEW 虛擬儀器軟件開發(fā)設(shè)計信號處理程序，對接收到的模擬信號進(jìn)行預(yù)處理得到波形圖結(jié)果。最后，根據(jù)結(jié)果可以分析出智能車的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

2 硬件選擇與設(shè)計

2.1 加速度傳感器

傳感器是一種檢測裝置，它能感受到被測量的信息，并可將感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求[3]。

根據(jù)檢測系統(tǒng)中的精確測量要求，選用了壓電式加速度傳感器。傳感器根據(jù)內(nèi)部的壓電瓷器或石英結(jié)晶的特性，產(chǎn)生壓電效應(yīng)。傳感器振動時，質(zhì)量塊加到壓電器件上的壓力會發(fā)生變化。當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于加速度傳感器的固定頻率時，改變的受力值會與要測得的加速度成正比[4]。根據(jù)受力值的變化，系統(tǒng)內(nèi)部可得出被測物體的加速度。

2.2 PXI 總線及測試系統(tǒng)

PXI 總線（PCI eXtensions for Instrumentation）是PCI 總線的擴(kuò)展，是NI 公司在1997年推出的一種全新的儀器總線規(guī)范。PXI 總線被廣泛應(yīng)用于大數(shù)據(jù)收集、工業(yè)過程自動化以及企業(yè)項目、科研等領(lǐng)域。由于PXI 總線具有比較牢固的機(jī)械結(jié)構(gòu)、較優(yōu)異的兼容性以及較高的安全性，所以本文選用PXI 總線進(jìn)行檢測和采集數(shù)據(jù)[5]。

要組建一個PXI 的總線測試系統(tǒng)，需要根據(jù)測試需要的測試類型、測試環(huán)境、測試要求等選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡、PXIe-PCIe 轉(zhuǎn)換卡、接線盒和機(jī)箱[6]。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，選擇采用與NI 公司的LabVIEW 軟件相配套的數(shù)據(jù)采集卡及相關(guān)模塊以保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定精確。在本設(shè)計中組建的PXI 總線數(shù)據(jù)采集平臺，選取了NI 公司的PXIe—6356 和PXIe8361數(shù)據(jù)采集卡。搭建平臺需要先將PXIe—6356 采集卡安裝到NI PXIe-1073 機(jī)箱里的插槽，將PXIe8361 采集卡安裝到電腦端主機(jī)的插槽中，再用數(shù)據(jù)屏蔽電纜線將機(jī)箱的插口與電腦端對應(yīng)的插口連接，確保電腦端的NI MAX 中設(shè)備實(shí)現(xiàn)連通后，就組建好了PXI 總線的數(shù)據(jù)采集平臺。

3 程序設(shè)計及實(shí)測結(jié)果分析

LabVIEW 是一款由NI 公司所設(shè)計研發(fā)的圖形化程序設(shè)計軟件，通常在測試系統(tǒng)中作為上位機(jī)的開發(fā)軟件[7]。LabVIEW 的應(yīng)用程序包含前面板與程序框圖。前面板的界面設(shè)計大多由控件和指示器構(gòu)成[8]。在程序框圖的任務(wù)模塊設(shè)計中，將事先編譯好的功能程序以圖形塊的模式呈現(xiàn)，使得項目程序可讀性強(qiáng)。軟件內(nèi)有很多與NI 公司測試器件相配套的程序例程，增強(qiáng)了項目的可操作性。

在本檢測系統(tǒng)中需要采集處理的信號為振動信號，系統(tǒng)采集好振動信號后，電腦端程序?qū)σ獧z測的信號進(jìn)行FFT（Fast Fourier Transform）數(shù)字信號處理[9]?？焖俑道锶~變換（FFT）定義為：

式中：X為輸入序列；N為X中元素的數(shù)量；Y為變換后結(jié)果。Y的頻率分辨率（頻率間隔）為：

式中，fs為采樣頻率。

在設(shè)定好采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)后，前面板中會呈現(xiàn)采集到電機(jī)的振動信號波形以及經(jīng)過快速傅里葉變換預(yù)處理后的頻域波形，在系統(tǒng)中經(jīng)過擬合可得到物體的加速度，由式（3）可得出被測速度[10]。

振動信號的前面板正常測試及速度頻域分析程序框圖如圖2、圖3所示。

圖2 振動信號頻域分析前面板

圖3 速度頻域分析程序

在試驗中，對車模進(jìn)行測試，其實(shí)物如圖4所示。圖中車模的前輪設(shè)定為1 號輪和2 號輪，后輪設(shè)定為3 號輪和4號輪，驅(qū)動電機(jī)也對應(yīng)著相應(yīng)的編號。

圖4 車模實(shí)物

在對被測車模準(zhǔn)備工作完成后，通過加速度傳感器接收其電機(jī)振動信號，傳輸?shù)诫娔X端后，對被測車模的速度采集程序框圖如圖5所示。

圖5 被測速度的采集程序

在車模運(yùn)行過程中，車模車體向預(yù)定路線右側(cè)偏轉(zhuǎn)。確認(rèn)其他測試條件無誤后，采用檢測系統(tǒng)進(jìn)行檢測，得到車模四個車輪的振動速度時域圖和振動速度頻域圖，如圖6所示。對比四張波形圖，可以發(fā)現(xiàn)車模1 號輪、2 號輪、3 號輪的時域圖與頻域圖相差不大；而在4 號輪振動速度頻域圖中，電機(jī)頻率在20 Hz 和50 Hz 之間。根據(jù)圖2所示，電機(jī)正常工作頻率為50 Hz 左右。

圖6 車模四個車輪的振動速度時域和頻域

針對3 號、4 號輪的不同狀況，比對了3 號輪與4 號輪被測信號的波形圖，發(fā)現(xiàn)4 號輪信號的幅值遠(yuǎn)小于3 號輪信號的幅值。試驗結(jié)果說明，4 號電機(jī)頻率確實(shí)有所下降，其性能降低。試驗檢測結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 3 號輪被測振動信號

圖8 4 號輪被測振動信號

經(jīng)上述測試結(jié)果分析，4 號輪電機(jī)存在問題。在車模行駛中，右后輪的轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)小于左后輪的轉(zhuǎn)速，所以車模向右偏轉(zhuǎn)，符合實(shí)際結(jié)果，對實(shí)物進(jìn)行多次測試后證明了本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與方案的可行性。

4 結(jié)語

本文中采用PXI 總線和傳感器模塊搭建硬件采集平臺，用于智能車檢測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)；采用LabVIEW 設(shè)計軟件來處理和分析測試結(jié)果。此系統(tǒng)能迅速準(zhǔn)確地得出智能車在不同車速時電機(jī)的運(yùn)行結(jié)果，且維護(hù)便捷，具有較高的性價比。經(jīng)過多次試驗與分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)理想。