基于LabVIEW的汽车悬架无线动态数据采集系统
邓召文 杨泽宇 张书乾 孟广辉 余思家
摘 要：开发设计一套基于LabVIEW的汽车悬架无线动态数据采集系统。利用数据采集卡NI9215的BNC接口实现与传感器的连接，通过通讯数据发射器NI WLS-9163实现与监控计算机的无线连接，基于LabVIEW编写程序，完成汽车减震器压缩量数据实时采集、记录和回访功能，再通过对压缩量数据的计算分析，实时获取车辆轮胎跳动曲线、轮胎载荷谱以及车轮振动频谱曲线等信息。试验证明系统准确可行，符合实际情况，实现了车辆悬架系统动态数据的监控与分析，解决了传统数据采集模块布线困难、装机复杂等缺点，具有一定的实用性。
关键词：汽车悬架；悬架数据采集；无线数据采集；LabVIEW
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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
懸架系统对汽车的行驶平顺性、操纵稳定性等使用性能都有很大影响[1]。车辆悬挂系统的设计开发在大学生方程式赛车（FSAE）开发过程中占有举足轻重的地位。FSAE赛车因考虑空间布局及其它因素，所以都采用独立悬架，其操纵稳定性要求较高[2-3]；悬架系统的性能直接影响赛车的安全性、舒适性和稳定性。实时采集并分析悬架系统的动态数据信息，实时监控汽车的行驶状况，实现对汽车设计改进的信息反馈，达到优化汽车参数和整车试验验证的目的，以满足苛刻的赛事要求并不断提升赛车性能。
车载式汽车数据采集系统具有准确、可靠、体积小和便于拆卸等优点，在检测、测控、故障诊断和自动化控制等领域虚拟仪器技术得到了较为普遍的应用。在汽车悬架性能测试开发过程中，翟乃斌应用虚拟仪器技术，基于LabVIEW开发设计了一款汽车悬架数据动态采集系统，达到了汽车悬架系统的动态实时监控功能[4]。邓召文等基于虚拟仪器技术实现了赛车悬挂系统的动态数据采集功能，单片机编程实现数据采集功能，通过无线模块、串口通讯与NI虚拟仪器实现数据传输[5]。长安大学开发了一套以labview软件为开发平台，加上必需的传感器和数据采集板等组成测控系统的混合动力电动汽车硬件电路，以及包括数据采集、信号分析和处理、数据文件存储和文件读取等组成的软件电路的汽车悬架数据采集系统，可以对汽车悬架中的弹性元件、减振器及其组合进行经常性的检测，使其保持良好的功用状态[6]。武汉理工大学开发的运行参数记录分析系统，以NI公司的labview为软件基础，设计了外围接口路、信号调理电路，由数据采集卡实现数据信号采集，在PC机上可以保存、回访电动汽车运行时的传感器信号和二次仪表信号，实现电动汽车运行状态的实时监测和统计分析功能[7]。本文开发设计了一套基于LabVIEW的FSAE赛车悬架系统无线动态数据采集系统，利用数据采集卡NI9215的BNC接口实现与传感器的连接，再通过通讯数据发射器NI WLS-9163实现与监控电脑PC机的无线传输，基于虚拟仪器技术实现赛车减震器压缩量的实时动态采集、监控、记录回放，并对采集到的减震器压缩量进行数据分析，可得到轮芯跳动行程（轮芯跳动量）、车轮载荷大小与时间函数关系及车轮振动频谱曲线等信息。
1 悬架数据采集系统功能设计
与传统有线数据采集系统相比，无线数据采集系统能够实现人车分离，即驾驶员驾驶车辆，工作人员在距离车辆一定范围内可以通过相关设备同步监控悬架系统的动态数据，通过数据分析，判断当前状况下的车辆状态，实现调教赛车平顺性和操纵稳定性目的。为方便测量和悬架参数优化，选取减震器压缩量作为数据采集系统的采集对象，为了实现对赛车稳态响应特性的调整，依据车轮跳动行程和车轮载荷计算公式获得车轮跳动行程和车轮载荷，为了实现对悬架振动偏频的调整，再对减震器压缩量进行频谱分析，故将采集系统的输出量确定为车轮跳动行程、车轮载荷和频谱曲线。
车轮跳动行程可以通过减震器压缩量间接计算得到，如公式（1）所示[5]。
2 悬架数据采集系统硬件设计
开发的无线数据采集系统结构如图1所示，主要包括直线位移传感器、数据采集卡、无线模块和PC机等。
2.1 无线数据采集模块
在FSAE赛车上的四个减震器的压缩量都需要测量，同时为了便于获取更加精确的数据，因此选择具有4个差分模拟输入通道的NI9215。连接正极电压信号至AI+，负极电压信号至AI–。BNC接口的NI9215带有可使电压源值位于共模范围内的内部电路。NI9215的各通道共地，该公共地与系统中的其它模块相隔离，能够实现对每个通道的过压保护。为了实现对四路通道信号的同步采样，每个信号采集通道都带有独立的跟踪/保持放大器。
通过铰接式直线位移传感器产生的电压信号传给数据采集卡，将铰接式直线位移传感器与电荷放大器连接，将电荷放大器与数据采集系统连接，并将数据采集系统连接到计算机（PC机）上，操作NI9215数据采集测试软件，得到铰接式直线位移传感器的变化信号。为了实时获取汽车运行过程中动态数据，数据传输方式必须采用不受距离限制的无线传输模式。故选用NI WLS-9163无线发射器，其参数频率为433MHz、电壓5～12V、功率600mW。
本系统是基于虚拟仪器的汽车振动测试分析系统，包括4个铰接式直线位移传感器、数据采集卡（Ni9215）、无线通讯数据发射器（NI WLS- 9163）和监控计算机（PC端LabVIEW）。其特征在于：所述的4个铰接式直线位移传感器通过加长螺钉或卡具连接车辆悬架旁减震器位置，将电流信号转换为电压信号后输出到无线通讯数据采集卡（Ni9215），通过无线网络（Ni WLS-9163无线数据发射器）与监控计算机完成通讯连接；监控计算机通过LabVIEW软件程序，获取各传感器读到的位移信号并进行计算分析处理。因此需要对传感器和采集卡供电部分、接口部分进行处理，还需对传感器进行标定，设置无线模块。
2.2 供电模块
为了实现上述功能，首先对无线数据采集卡NI WLS-9163的电源进行改装，原来是100-240V的输入电压和12V的输出电压。考虑到便携与简便性，使用充电移动电源进行供电，市面上的充电移动电源大多提供5v的电压，用到XL6009可调电源模块（如图2所示），该模块用小容量的滤波电容既能达到非常好的效果，波纹更低，体积更小。通过该模块使充电移动电源提供的5V输入转换为无线数据采集卡NI WLS-9163所需的12V电压。
可调电源模块各组成部分说明：①XL6009电源模块（增压），②5A DC-DC可调降压电源模块实现降压目的，结构如图3所示；③充电移动电源供电线（5V）；④无线数据采集卡NI WLS-9163供电线（12V）；⑤4个铰接式直线位移传感器供电线（5V）。为了保证传感器参考电压的稳定性，没有采用直接从充电移动电源给位移传感器供电的方式，而是先通过升压给无线数据采集卡NI WLS-9163供电，然后通过降压模块再将电压降至5V给传感器供电，通过这样的方式供电，无论使用什么样的充电移动电源，传感器的参考电压不会改变，这样测量出来的数据更加真实准确。
2.3 接口部分
因为数据采集卡NI9215采用的是BNC接口，在传感器上也使用BNC接口使之与其相连，在连接时将传感器上的黑色OUTPUT线接连接在BNC接口中间位置，蓝色OV（COM）连接接地。这样便完成了数据采集卡信号输入接口的连接。由于该数据采集卡只能提供4个差分模拟输入通道，因此需要给4个传感器单独供电，使用电源DC插头连接传感器上的棕色（+V）端，再使用一分四DC电源连接线与传感器相连接，一分四DC电源连接线的电源输入与图2中可调电源模块的位置⑤相连。
2.4 传感器标定
数据采集系统一般由传感器和有关测量仪器组成，为确保采集精度，在采集之前必须进行必要的标定工作。所谓‘标定，就是利用某些法定意义的标准器具对系统进行准确度，精密度等方面的实验，以确定系统的输入，输出关系以及在不同使用条件下的误差关系等[14]。
测量减震器压缩量选择使用的是迈恩的KPM-75 mm微型铰接直线位移传感器，该传感器精度高、无温漂，可靠性高。特别适用于安装空间狭小，本体无法固定，运动有摆动的场合，适合于FSAE赛车悬架处安装。根据位移传感器的参数表得知有效行程为75.5 mm，两端有2 mm的缓冲行程。首先将位移传感器两端固定在导轨上，这样标定的结果更加准确。然后使用游标卡尺测量并记录其位移量与相对应的电压值，每个传感器分别测量其拉程和回程的数据，然后使用线性差值法对其标定。对传感器的标定过程和最后得到传感器线性拟合曲线分别如图4和图5所示。
2.5 无线模块设定
采用的是NI公司生产的数据采集板卡（DAQ），连接无线数据采集卡时，先通过标准CAT-5以太网线缆将设备与计算相连，在网络NI-DAQmx中查找并添加该设备，然后打开网络配置选项卡，选中无线打开复选框，启用无线功能，并配置无线数据采集卡，当设备的WLS LINK 指示灯亮起时表示已连接验证网络[15-16]。
3 悬架数据采集系统软件设计
3.1 软件总体设计
本文开发的无线数据采集系统可以实现数据采集、数据计算处理、数据保存、数据分析及打印等功能。软件采用模块化设计思路，先根据各个模块的功能设计方案，再完成各个功能模块子VI的编程。在主程序中，采用条件结构实现对各功能的选择，子VI模块可以在主程序中直接调用。系统软件总体设计方案如图6所示。
3.2 主要程序模块
悬挂系统轮胎压缩行程数据的采集采用微型铰接式直线位移传感器，传感器输出的电压信号送入数据采集卡，通过LabVIEW数据处理模块，将电压信号转换为实际减震器压缩量并将数据记录并显示。由轮胎压缩数据计算分析轮芯跳动行程和轮胎载荷谱，再将计算分析出的信号利用波形图表进行显示，最后采用TXT文件记录方式，将接收的数据储存至TXT文件中，以方便调用和数据分析。
3.2.1 数据采集模块
四套微型铰接式直线位移传感器采集的数据类型为双精度二维数组。同时将车辆四个减震器的压缩量通过传感器的4个采集通道的电压值表示，将4组数列合并成二维数组，设置4个物理通道，每通道采集量（每通道每秒采集量）设置为1 000，采集速度10 000，采集模式为连续采集。最后在循环外设置DAQmx停止任务和DAQmx清除任务，VI将中止该任务，使其返回DAQmx开始任务运行之前的状态。数据采集模块程序框图如图7所示。
3.2.2 数据处理模块
数据处理子VI模块具有计算和显示功能。计算模块包括轮芯跳动量、轮胎载荷谱、车轮载荷极值计算；显示模块包括所有动态数据曲线波形和有效数据显示。开发的数据处理模块程序框图如图8所示。将采集到的4组信号分别与传感器标定比例相乘，得到的数值为各减震器的压缩量，将二维数组拆分成4个子数组，再计算解析出的压缩量数据，实现轮芯跳动行程和轮胎载荷谱的计算。最后将信号合并用波形图表进行显示。
3.2.3 数据保存模块
数据保存模块是为了储存采集数据，对汽车的运动状态进行实时监控，并实现数据随时的调用和回放功能。需要记录的数据为采样时间、轮胎跳动行程和最大载荷等。调用时通过“读取文本文件”函数读取文本文件中的數据，并用波形图表显示。软件以100 ms为间隔记录车辆悬架数据，仪器在车辆运动前记录初始悬架位置，然后开始记录减震器压缩量。为便于数据分析，程序保存减震器压缩量的变化值。由于ADAMS等仿真软件一般需要用时间参数确定位移。另外保存在同一个TXT里，便于MATLAB等软件打开。
3.2.4 频谱分析模块
软件编程是组建虚拟频谱分析系统的关键，本文需要根据功能要求编制相应的功能模块[17]，基于虚拟仪器技术调用动态链接库的波形数据[18]， 实现频谱分析功能。频谱分析模块是对采集到的各轮的减震器压缩量和车轮跳动行程进行频谱分析，通过选项卡控件选择要分析的数据，主要是功率谱和幅值谱的分析。频谱分析模块程序框图如图9所示，得到的悬架数据采集模块前面板、数据记录保存模块前面板和频谱分析模块前面板分别如图10、11、12所示。
4 实验调试与系统验证
4.1 实验调试
将位移传感器平行放置安装到FSAE赛车的减震器边，后轮悬架使用加长螺钉固定，前轮悬架使用特殊设计的U形卡槽固定传感器，前后轮位移传感器的安装分别如图13和图14所示。连接无线采集卡与传感器，将传感器和电源置于驾驶室右侧支架空隙处。将得到的信号通过无线数据采集卡的无线发射器（NI WLS-9163 模块）发送给电脑端进行分析记录，开启记录模式记录传感器数据以便分析调用。赛车在场地行驶时，传感器采集到的信号经无线数据采集模块发送到电脑NI软件界面，在数据测试之前需要对减震器压缩量初始采样值进行重新设置修订[19]，使采集数据准确可靠，减震器压缩量必须保证在0～30 mm之间，同时采集到的轮胎载荷不得大于800 N。
4.2 系统验证
为了验证开发的悬架数据无线采集分析系统的可行性，将系统采集到的减震器压缩量数据通过计算机显示，并通过公式单独计算车轮跳动行程（轮芯跳动量）、轮胎载荷；将无线数据采集系统的测得的输出结果与公式计算结果进行对比，如果误差合理，即验证系统准确。选取实测的一段采样值进行对比分析：AA12.307 BB14.520 CC4.197 DD6.571，将单独计算结果与采集系统处理结果对比，对比结果见表1。由表1可知，采集系统显示结果与单独计算值结果一致，证明所开发的悬架数据采集分析系统准确可行。
5 结论
（1）采集系统显示结果与单独计算值结果一致，且系统采集输出数据大小范围均符合实际情况。
（2）无线动态数据采集车辆悬架动态数据，解决传统数据采集模块布线困难、装机复杂等缺点。
（3）系统可实现车辆悬架系统动态数据的监控与分析，系统准确可行，具有一定的实用性。
【参 考 文 献】
[1]陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，1999.
CHEN J R. Automobile structure[M]. Beijing： Mechanical Industry Press， 1999.
[2]刘美燕.FSAE赛车悬架仿真分析及操纵稳定性虚拟试验[D].长沙：湖南大学，2008.
LIU M Y. FSAE racing suspension simulation analysis and handling stability virtual experiment[D]. Changsha： Hunan University， 2008.
[3]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009.
YU Z S. Car theory[M]. Beijing： Mechanical Industry Press， 2009.
[4]翟乃斌.基于虚拟仪器的汽车悬架特性检测系统的研究[D].长春：吉林大学，2004.
ZHAI N B. Research on vehicle suspension characteristic detection system based on virtual instrument[D]. Changchun： Jilin University， 2004.
[5]邓召文，高伟，王保华，等. 基于LabVIEW的FSAE赛车悬架数据采集系统[J]. 合肥工业大学学报（自然科学版），2015，38（11）：1451-1457.
DENG Z W， GAO W， WANG B H， et al. Data acquisition system of FSAE racecar suspension based on LabVIEW[J]. Journal of Hefei University of Technology （Natural Science Edition）， 2015， 38（11）：1451-1457.
[6]张俊停. 基于LabView悬架性能测控系统的研究[D].西安：长安大学，2010.
ZHANG J T. Research on suspension performance measurement and control system based on LabView[D]. Xian： Changan University， 2010.
[7]方伟新. 混合动力电动汽车运行参数记录分析系统的研制[D].武汉：武汉理工大学，2005.
FANG W X. Development of operating parameter recording and analysis system for hybrid electric vehicle[D]. Wuhan： Wuhan University of Technology， 2005.
[8]刘君华.虚拟仪器图形化编程语言 LabVIEW教程[M].西安：西安科技大学出版社，2004.
LIU J H. Virtual instrument graphical programming language LabVIEW tutorial[M]. Xian： Xian University of Science and Technology Press， 2004.
[9]TANG G J，LIU Y Q. The design of signal analysis function of measurement virtual instrument based on LabVIEW[J]. Electronics Instrumentation Customer， 2004， 11（1）：24-26.
[10]陈树学.刘萱.LabVIEW宝典[M].北京：电子工业出版社，2011.
CHEN S X， LIU X. LabVIEW code[M]. Beijing： Electronic Industry Press， 2011.
[11]陈树学.LabVIEW实用工具详解[M].北京：电子工业出版社，2014.
CHEN S X. LabVIEW utility tools[M]. Beijing： Electronic Industry Press， 2014.
[12]杜伟宁，赵晨光，王 冕，等.基于LabVIEW的虚拟频谱分析仪设计[J].吉林大学学报：理学版，2009，47（3）：548-552.
Du W N， ZHAO C G， WANG M， et al. Design of virtual spectrum analyzer based on LabVIEW[J]. Journal of Jilin University （Science Edition）， 2009， 47（3）： 548-552.
[13]吕丹桔，施心陵，吴云鹏.基于Labview的植物红光吸收动态监测[J].林业机械与木工设备，2015，43（1）：35-36.
LV D J， SHI X L， WU Y P. Dynamic monitoring of plant red light absorption based on Labview[J].Forestry Machinery & Woodworking Equipment，2015，43（1）：35-36.
[14]肖忠祥.數据采集原理[M].西安：西北工业大学出版社，2011.
XIAO Z X. Principle of data acquisition[M].Xian： Northwest Polytechnic University Press， 2011.
[15]刘单.基于LabVIEW并行通信的数据采集与处理系统研究[D].武汉：武汉理工大学，2006.
LIU S. Research on data acquisition and processing system based on LabVIEW parallel communication[D]. Wuhan： Wuhan University of Technology， 2006.
[16]左付山，闵永军，甘英俊.基于Labview的汽车ASM排放检测系统的开发设计[J].林业机械与木工设备，2004，32（8）：24-27.
ZUO F S， MIN Y J， GAN Y J. Development and design of automobile asm emission detection system based on Labview[J].Forestry Machinery & Woodworking Equipment，2004，32（8）：24-27.
[17]WANG H C， CHEN Y M， HUANG Y Q. The technology of virtual instrument based on PC[J]. Measurement and Testing Technology， 2005， 32（6）：32-34.
[18]MIAO L J， YANG X H， WANG W. Design and call the dynamic link library based on LabVIEW[J]. Industrial Instrumentation & Automation， 2010（4）：71-74.
[19]LACHUAUSSE J， DOLL R， HOWARD J， et al. Implementation of a stand-alone date acquisition system for a formula SAE racing car[R]. Rochester Institute of Technology， 2005.
