使用NI C系列I/O模块对轿车底盘系统性能参数的快速采集

"前期工程师主要通过个人经验对车辆性能进行估计，无法得到精确车辆性能数据。随着传感测试技术、计算机信息处理技术等相关学科的进一步发展，工程师可以根据不同需要在车上布置不同的传感器和测试设备，精确得到车辆性能数据，进而对性能值进行分析，以帮助工程师对汽车性能进行准确的改进，使得汽车性能开发由粗放的主观估计到精确的客观测试方向逐步发展。"- 刘 杨铭,

挑战:

随着市场竞争的激烈和对造车理念的深入理解，汽车公司仅仅造出满足市场基本需求的轿车已无法适应更高层次的竞争和其自身高品牌的建立。为了持续提高车辆品质，对车辆的开发已由满足基本需求转变为对性能的追求，进而提升汽车品牌价值，这其中对汽车底盘性能的开发尤为重要。采用NI C系列I/O 模块，可以根据汽车工程师需要，对轿车底盘性能如转向力、车速、油液压力、油液温度等进行快速且同步的采集，为轿车底盘性能的开发进而对提升汽车品牌价值提供有效帮助。

解决方案:

基于NI 丰富的C系列I/O模块，外接适用于轿车特殊环境要求的传感器，利用NI Labview编写一套轿车底盘性能参数采集系统，同时结合NI Labview提供的大量经典数据处理VI如滤波、求导等对数据进行实时分析，并将采集与分析得到的数据以一定格式存储于电脑中，为轿车底盘性能开发提供数据支持。

作者:
刘 杨铭 - 
周 胜斌 -

一. 引言

随着市场竞争的激烈和对造车理念的深入理解，汽车公司仅仅造出满足市场基本需求的轿车已无法适应更高层次的竞争和其自身高品牌的建立。为了持续提高车辆品质，对车辆的开发已由满足基本需求转变为对性能的追求以提升品牌价值，这其中对轿车底盘性能的开发提升尤为重要。
前期工程师主要通过个人经验对车辆性能进行估计，无法得到精确车辆性能数据。随着传感测试技术、计算机信息处理技术等相关学科的进一步发展，工程师可以根据不同需要在车上布置不同的传感器和测试设备，精确得到车辆性能数据，进而对性能值进行分析，以帮助工程师对汽车性能进行准确的改进，使得汽车性能开发由粗放的主观估计到精确的客观测试方向逐步发展。

二. 测试系统的设计背景与设计原则

目前，市场上针对轿车底盘的测试设备已较多，但因轿车底盘形式的多样性以及试验目的的的多样性，目前市场上已有的测试设备还不能完全满足工程师的要求。例如，汽车转向性能是汽车底盘性能中的一项重要性能，但目前市场上还没有成熟的专门针对轿车上的液压助力转向系统各项性能进行采集的产品。为了得到性能数据，汽车工程师需要自己搭建底盘测试系统。

由于汽车底盘系统测试的特殊性，汽车工程师需要一种能快速改变通道数和同时读取多种物理参数的测试系统，这主要表现在：汽车底盘系统性能物理参数种类较多，例如有温度、压力、应力、速度、加速度、位移、角速度等；工程师需要采集的参数数量也差别较大，例如为了采集底盘零部件应力需要布置30个以上的通道，而采集转向力仅需2个试验通道。为了支持上述不同的测试目的，通常需要开发针对性的测试软件，但汽车工程师通常不是专业的软件工程师，无法编制复杂的数据采集软件，因此测试系统需要有一种相对简单容易入门的采集软件。

三. 测试系统的总体设计

根据不同的目的，底盘系统需要测试的性能参数数量较多，本文主要以转向力测试为例说明测试系统的总体设计和详细设计。
测试系统主要包括以下两部分：

1）硬件部分，包括

①传感器子模块：通过传感器将各性能物理值转换为电信号；
②数据采集模块：实现对传感器输入的模拟信号进行滤波、调理及模拟信号转为数字信号；

2）软件部分：实现读取硬件部分输出的数字信号并根据需要对信号进行滤波、分析，同时按照一定格式将信号存储于计算机硬盘中。

四. 测试系统的详细设计说明

1. 硬件部分

在轿车上，使用光学车速传感器采集车速信号，在方向盘处布置力矩方向盘采集转向力矩和转角信号。根据需要工程师还可以增加或减少传感器，例如为了考察转向油液压力和温度对转向力的影响，额外增加压力传感器和温度传感器。针对不同类型的传感器，选用合适的采集设备和方案，主要包括以下C系列采集模块：
NI-9203为8通道模拟电流采集模块，压力传感器输出信号为4-20mA电流，对于这类输出为标准电流信号的传感器接入NI-9203。
NI-9201为8通道模拟电压采集模块，光学车速传感器、测力方向盘输出信号为0-10V电压，对于这类输出为电压信号的传感器接入NI-9201。
NI-9217为4通道RTD专用采集模块，热电阻接入NI-9217。

2.软件部分

使用Labview中的DAQ助手以及While循环等子VI编制采集软件，在终端硬件的支持下主要实现信号数据的采集、分析和存储功能。工程师可以修改采样率、滤波截止频率等，软件提示工程师对数据保存路径进行确认。软件主要实现功能如下：

1)底盘性能物理参数与电信号的转换：
测试系统从传感器处读取得到的是经过转换的电信号，为了读取本测试系统中的压力、转矩、车速等物理量，需要利用标定证书提供的曲线或参数完成传感器读数向物理量的转换。

2)数据处理
某些轿车底盘性能特征参数需要对采集得到的数据处理后才能间接得到，例如对采集得到的方向盘转角信号进行求导，得到工程师需要的方向盘转角速度信号。

在物理学中，对一个物体移动的位移进行求导，得到该物体的速度。用该方法，对方向盘的转角位移进行求导，得到方向盘的转速度。数学中使用公式①对函数进行求导：

3)数字滤波
在轿车发动机舱中布置的传感器受到发动机的高温、振动等影响较大，会产生很多干扰噪声。为了更准确读取轿车底盘性能特征参数，需要对信号进行过滤，这种过滤一般可以采用低通滤波的方式，实现的时候可以采用幅值域分析的方式确定截止频率。

从该图中可以看出，驾驶员快速转动方向盘，峰值速度可以达到1500deg/s，此时方向盘力矩可以达到27.5N.m，远大于正常的转向力4N.m，这说明车辆转向系统有问题，需要改进。
我们可以看出，在快速转向工况中转向油液的流量在降低，高压管压力也同样在降低，说明车辆的转向助力明显正在减弱，据此可以初步推测出是液压助力降低导致的车辆转向力明显变大的问题，工程师据此改进了转向助力，最终车辆快速转向转向力变大的问题得到了解决。

五． 结论

使用NI CompactDAQ系统和数量众多的C系列模块，可以很好的满足轿车底盘系统的性能测试要求。事实证明，NI CompactDAQ系统设计非常灵活，通过增减C系列采集模块，能满足对电流、电压、应变等多种输入信号的采集要求，快速增加或减少采集通道，满足日益复杂的轿车底盘性能开发需要。 Labview软件强大的数据采集和信号处理功能以及容易入门的图形化开发环境，保证汽车工程师可以轻松完成高质量地数据采集、信号处理和数据存储的工作。NI CompactDAQ系统和LabVIEW开发环境无缝连接使汽车工程师能轻松的快速建立多样化的数据采集应用，满足了轿车底盘悬架和转向系统性能测试的目的，为轿车底盘性能开发提供了灵活、强大的数据支持。

作者信息:
刘 杨铭