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一級方程式賽車

　　The Challenge:

　　實現一套面向曼徹斯特大學方程式學生單座位賽車的便攜式的、可擴展的數據采集系統，它可以測試多種車輛。

　　The Solution:

　　利用Multisim和LabVIEW軟件，以及NI CompactRIO可編程自動化控制器（PAC），仿真車輛、采集數據并利用該數據建立定制的報警信號。

　　"NI軟硬件允許我們開放地試驗和快速納用，這對于汽車的開發非常重要。"

　　我們正在創建一個系統，采集數據并顯示汽車是否按照IMechE安全規則行駛。該系統將使得設計人員洞悉車輛動力學，以支持未來面向賽道故障檢測的實時設計決策，并以記錄數據的形式用于將來參考。該數據采集系統應當是便攜式且可擴展的，以便在工作間或動力實驗室（動力計）容納多種汽車或車輛的多個獨立部件。

　　利用Multisim，我們可以在購買任何組件或PCB前，仿真車輛的整個接線器和功率分配電路，從而節省時間和不必要的成本。CompactRIO為我們提供了一個能夠從多個傳感器接收輸入的、堅固的、可重新編程的數據記錄器。利用LabVIEW和一個標準的WiFi路由器，我們實現了一個無線遙測系統，它處理約20個通道的模擬數據，以及其他18個通道的CAN總線數據。利用LabVIEW，我們可以以正確的格式察看數據并創建定制的報警信號。

　　機械工程師學會的方程式學生競賽要求工程專業的學生們利用小型的方程式風格的賽車構思、設計、制造和競爭。這些賽車經過一年時間的構造，然后被帶到銀石賽道與來自世界各地的其他競爭者評判和比較。在2008年有95支團隊主要在車輛類別和低排放車輛類別方面參與了競爭。

　　虛擬接線器

　　Multisim中的接線器仿真通過允許我們檢查各種安全斷流器的操作，確保該系統功能依照安全規則進行工作。我們可以仿真電流，以評估電池的性能并在UltiBoard內優化PCB以處理那些負載，尤其是用于啟動電機電流的非常寬的線路。利用機械CAD工具，可以確保我們的電路將封裝在外殼內。

　　數據采集與遙測

　　汽車車架、懸掛、冷卻和駕駛培訓是一些重要的方面，其中，基于真實數據分析的設計驗證非常關鍵。通過CAD軟件包的簡單仿真，很難發現薄弱之處或有待優化之處。數據不僅用于車輛的設計階段，還用于懸掛和冷卻系統中的賽道調整。

　　CompactRIO為我們提供一個一體化的數據采集與實時監測系統，該系統在輸入類型和數據察看方面具有無與倫比的靈活性。512 MB的板上存儲使得高精度數據捕獲成為可能。它提供了一個比絕大多數的其他解決方案（甚至專為運動摩托車設計的解決方案）高得多的通道密度（輸入通道數與尺寸的比值）。由于一個簡單的WiFi連接，我們甚至不必擁有一個用于遙測的射頻許可證書。可移除的、選擇范圍廣泛的C-系列模塊使得CompactRIO成為可持續的選擇。我們可以在我們的需求增長或我們發現新的測量領域時改變配置。它還支持較寬的工作電壓，這對于引擎頻繁重啟（此時電壓下降可能多達25%）的汽車供能非常重要。

　　我們與NI現場工程師們緊密合作，以裁減硬件使其適合我們的目的。我們的單元是一個8-模塊機箱，配有NI 9237同步橋模塊、NI 9205模擬輸入模塊、NI 9411數字輸入模塊、NI 9211熱電偶模塊、面向IEPE測量的NI 9233動態信號采集模塊和NI 9853高速CAN輸入模塊。CAN輸入支持我們監測來自與ECU相連的傳感器的數據，如RPM、汽油溫度和汽油壓力。這樣避免了重復裝配傳感器或制造傳感器緩存電路。快速重新編程和單個單元的便攜性的組合，意味著我們可以方便地在汽車或動力實驗室內使用CompactRIO，以獲取更為詳細的引擎相關的測量結果。它僅涉及通過網絡上傳合適的VI和傳感器的連接。

　　現場監測

　　實時監測數據的能力高低對于能否在產生嚴重后果之前就發現問題非常重要。在測試過程中，該團隊可以在不停止車輛的情況下檢查引擎是否處于恒定的溫度。當團隊能夠做好在車輛仍在行駛過程中改變懸掛的準備，測試會話會更加富有成效，這意味著駕駛人員可以獲得更多掌控方面的實踐。

　　給駕駛人員提供即時反饋也是一種改進其駕駛風格的有效方式。一名優秀的賽車手必須始終掌控其車輛，恰好在牽引力的極限之內。通過在駕駛過程中觀察油門位置、剎車壓力和方向盤角度數據，一名駕駛人員獲知其技術中需要改進的方面。

　　車輛動力學

　　利用線性和選擇電位計，可以以可量化的方式觀測車輛的重量轉移特性。通過測量懸掛與轉向角度，我們可以觀測到車輛在拐彎處如何傾斜。然后，可以調節減震器以最大限度減少滑行和增加抓地力。

　　在駕駛一輛賽車時，觀察四只車輪的狀況至關重要。我們利用一個安裝于右上方的霍爾傳感器測量每只車輪的速率。當車輪轉動時，這些傳感器被置于制動盤后面的一個專門設計的齒輪盤觸發。它們提供了一個與晶體管-晶體管邏輯（TTL）兼容的開關輸出。利用NI 9411數字輸入模塊和LabVIEW中的一個高優先級的定時循環，我們可以確保以足夠高的采樣率對傳感器信號進行采樣。該車輪速率數據以及來自方向盤角度傳感器的預期方向數據，被用于了解和驗證限滑差速器、牽引力控制和起跑控制的工作。引擎控制單元（ECU）提供了對于后兩項的越限的調整控制。通過測量在拐彎處或偏離起跑線時的車輪速率，我們可以找到最佳設置。

　　我們利用NI 9237橋模塊讀取置于懸掛臂和底盤管上的應變計讀數。雖然對于已建造的車輛上的這一數據，我們所能做的工作是微乎其微，但在設計未來車輛時，這一數據將非常有用。例如，如果部件所承受的壓力低于最初的預測，可以重新設計部件以減輕重量。

　　NI 9233模塊具有四路同時采樣的24-位輸入，以支持與加速度計的簡單的2-線連接。可以量化橫向加速度，并將其與不同車輪外傾角和輪胎壓力的組合相比較。在獲得這些正確方式后，我們的汽車可以以更高的速率高速通過更緊急的彎角。

　　總結

　　NI軟硬件支持我們開放試驗和快速納用，這對于汽車的開發非常重要。該方程式學生團隊每年完成一輛新款賽車（這與任一支專業賽車團隊非常相似），因此，“變幻莫測”的能力非常關鍵。絕大多數現成可用的汽車數據記錄器并沒有提供CompactRIO的廣泛的連接性，尤其是對于類似應變計的無源傳感器。預計2009年7月完成的MAN09賽車是我們的第一款載有CompactRIO的車輛。該首批數據將加深我們對汽車設計的認知。

　　CompactRIO業已被重點用于未來的控制器以及錄入裝置。其基于FPGA的操作將非常適合主動制導懸架系統、防抱死制動和混合駕駛培訓管理等應用。