基于LabVIEW的智能車檢測系統的設計

莫天豪，張 丹，徐錦成，王 程，靳 永

（南京理工大學紫金學院，江蘇 南京 210046）

0 引言

有刷電機[1]的應用非常廣泛，但由于電機結構復雜，存在故障多、壽命短、易產生電磁干擾等問題。在正常測試中，車模上的直流小型有刷電機因為電機內部過熱，經常會產生故障。在智能車競賽中[2]，車模跑完幾圈賽道后，經常會沖出賽道，沒有按照預定軌跡行駛。經排查得出，比賽場所室內溫度過高加上長時間高速運行導致車體磨損，使車模電機出現了問題。電機頻繁地出問題常常會導致參賽者耗費大量的時間在車體檢查上。為提高排查問題的效率，設計基于LabVIEW 的智能車檢測系統，可快速地檢測出車體是否可以正常運行。

1 檢測系統總體設計

檢測系統是以比賽車模作為研究對象，系統總體分為硬件數據采集平臺和軟件開發操作界面。圖1 為系統構成的總體框圖。

圖1 系統構成總體框圖

檢測系統運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按照設定程序正常工作，同時通過加速度傳感器拾取電機上產生的振動信號并轉化成電信號，然后通過信號轉換器把電信號轉化為模擬信號，再利用PXI 數據采集卡接收模擬信號。在電腦端上位機采用LabVIEW 虛擬儀器軟件開發設計信號處理程序，對接收到的模擬信號進行預處理得到波形圖結果。最后，根據結果可以分析出智能車的運轉狀態。

2 硬件選擇與設計

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]。

根據檢測系統中的精確測量要求，選用了壓電式加速度傳感器。傳感器根據內部的壓電瓷器或石英結晶的特性，產生壓電效應。傳感器振動時，質量塊加到壓電器件上的壓力會發生變化。當被測振動頻率遠遠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]。根據受力值的變化，系統內部可得出被測物體的加速度。

2.2 PXI 總線及測試系統

PXI 總線（PCI eXtensions for Instrumentation）是PCI 總線的擴展，是NI 公司在1997年推出的一種全新的儀器總線規范。PXI 總線被廣泛應用于大數據收集、工業過程自動化以及企業項目、科研等領域。由于PXI 總線具有比較牢固的機械結構、較優異的兼容性以及較高的安全性，所以本文選用PXI 總線進行檢測和采集數據[5]。

要組建一個PXI 的總線測試系統，需要根據測試需要的測試類型、測試環境、測試要求等選擇相應的數據采集卡、PXIe-PCIe 轉換卡、接線盒和機箱[6]。根據系統設計要求，選擇采用與NI 公司的LabVIEW 軟件相配套的數據采集卡及相關模塊以保證數據穩定精確。在本設計中組建的PXI 總線數據采集平臺，選取了NI 公司的PXIe—6356 和PXIe8361數據采集卡。搭建平臺需要先將PXIe—6356 采集卡安裝到NI PXIe-1073 機箱里的插槽，將PXIe8361 采集卡安裝到電腦端主機的插槽中，再用數據屏蔽電纜線將機箱的插口與電腦端對應的插口連接，確保電腦端的NI MAX 中設備實現連通后，就組建好了PXI 總線的數據采集平臺。

3 程序設計及實測結果分析

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

在本檢測系統中需要采集處理的信號為振動信號，系統采集好振動信號后，電腦端程序對要檢測的信號進行FFT（Fast Fourier Transform）數字信號處理[9]。快速傅里葉變換（FFT）定義為：

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

式中，fs為采樣頻率。

在設定好采樣頻率和采樣點數后，前面板中會呈現采集到電機的振動信號波形以及經過快速傅里葉變換預處理后的頻域波形，在系統中經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，對車模進行測試，其實物如圖4所示。圖中車模的前輪設定為1 號輪和2 號輪，后輪設定為3 號輪和4號輪，驅動電機也對應著相應的編號。

圖4 車模實物

在對被測車模準備工作完成后，通過加速度傳感器接收其電機振動信號，傳輸到電腦端后，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

在車模運行過程中，車模車體向預定路線右側偏轉。確認其他測試條件無誤后，采用檢測系統進行檢測，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，可以發現車模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，電機頻率在20 Hz 和50 Hz 之間。根據圖2所示，電機正常工作頻率為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，發現4 號輪信號的幅值遠小于3 號輪信號的幅值。試驗結果說明，4 號電機頻率確實有所下降，其性能降低。試驗檢測結果如圖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

經上述測試結果分析，4 號輪電機存在問題。在車模行駛中，右后輪的轉速遠小于左后輪的轉速，所以車模向右偏轉，符合實際結果，對實物進行多次測試后證明了本系統的準確性與方案的可行性。

4 結語

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采集數據；采用LabVIEW 設計軟件來處理和分析測試結果。此系統能迅速準確地得出智能車在不同車速時電機的運行結果，且維護便捷，具有較高的性價比。經過多次試驗與分析發現，系統運行狀態理想。