利用labview為太陽能車開發(fā)遙測系統(tǒng)
概述：使用1組NI CompactRIO控制器與8槽式機(jī)箱，監(jiān)控車輛的電壓、電流、溫度，與速度，再透過2.4 GHz數(shù)據(jù)機(jī)，將資訊無線傳送至太陽能車后方的追蹤車輛。

遙測(Telemetry)
WSC 與其他太陽能車賽不同之處，乃是團(tuán)隊(duì)完成達(dá)爾文(Darwin) 到阿德雷得(Adelaide) 共3,000 公里的距離；亦表示比賽期間可能隨時(shí)發(fā)生問題，甚至影響車輛能否完成賽事。使用CompactRIO 可重設(shè)機(jī)箱與NI LabVIEW 軟體，我們開發(fā)的搖測系統(tǒng)可監(jiān)控、記錄，并傳輸資料，以隨時(shí)反應(yīng)太陽能電池的狀態(tài)(如上圖1 )。受監(jiān)控的資料可觸發(fā)警示，在問題發(fā)生之前避免之；因此該筆即時(shí)資料可協(xié)助團(tuán)對隨時(shí)擬定佳對策，以縮短除錯(cuò)時(shí)間。同時(shí)系統(tǒng)亦將監(jiān)控并記錄駕駛的動(dòng)作，以利賽后分析。
研發(fā)
雖然太陽能車本身的機(jī)械與電力資料，即為搜集與分析要點(diǎn)，但由于電子資料才是打造車輛的關(guān)鍵比賽要素，所以我們額外注重電子資料。我們所搜集的資料，包含設(shè)計(jì)階段的電池與太陽能電池，還有電池的體積與其效能曲線均有。在賽程中搜集到的即時(shí)資料，有助于我們佳化車輛的性能，亦可比較車輛實(shí)際規(guī)格與設(shè)計(jì)規(guī)格之間的差異。另外，策略團(tuán)隊(duì)則使用此資料搭配天氣預(yù)測，以計(jì)算出理想的賽程速度。我們并透過CompactRIO 內(nèi)建記憶體而記錄所有資料，以利賽后分析并供未來改進(jìn)之用。
使用CompactRIO 與可重設(shè)機(jī)箱
因?yàn)镃ompactRIO能在可客制化輸入通道上整合即時(shí)資料擷取功能，亦可記錄并傳輸資料，所以我們選用CompactRIO。而NI cRIO-9104 - 8槽式機(jī)箱可安裝任何必要模組，以滿足我們的監(jiān)控需求。透過多款NI模組，我們可隨著專案發(fā)展而調(diào)整機(jī)箱，并著重于太陽能車的不同面向。NI cRIO-9014 - Real-Time控制器另內(nèi)建記憶體與多種I/O，可提供彈性介面與次要的資料儲(chǔ)存媒體。
我們的客制化機(jī)箱包含1組SEA cRIO-GPS+模組，可即時(shí)提供車輛位置；1組NI 9870序列介面模組，具備RS232介面，可擷取電池監(jiān)控系統(tǒng)的資料；1組NI 9401數(shù)位I /O模組，可透過馬達(dá)控制器端點(diǎn)取得車輛速度，并輸出資料；4個(gè)NI 9219類比I/O模組，可監(jiān)控火星塞、剎車、電流，與太陽能電池陣列的電壓；還有1個(gè)NI 9211熱電偶模組，可感測車輛周圍的溫度。我們另透過NI 9219通用類比I/O模組，以高度與解析度監(jiān)控多種資料，包含電壓、電流、溫度，與電阻。
利用LabVIEW FPGA Module 進(jìn)行程式設(shè)計(jì)
使用LabVIEW FPGA Module即可迅速且輕松設(shè)計(jì)此系統(tǒng)。另外，Express VI具備捷徑功能，可讓使用者迅速變更程式以滿足需求。此外，我們在啟動(dòng)CompactRIO時(shí)隨即執(zhí)行程式，讓整個(gè)系統(tǒng)成為無線架構(gòu)，而不需實(shí)際接至系統(tǒng)再手動(dòng)開始程式。我們雖屬業(yè)余團(tuán)隊(duì)且程式設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有限，但直覺且圖形化的圖示與接線，都讓我們能加快程式設(shè)計(jì)的速度且趣味盎然。因?yàn)椴⒎撬心＝M都支援CompactRIO的Scan Mode，所以我們透過FPGA程式設(shè)計(jì)模式，整合了共8個(gè)模組。我們檢視由追蹤車即時(shí)搜集的資料，再根據(jù)公式化的程式擬定比賽策略(圖2)。

圖2. 追蹤車上的即時(shí)資料
應(yīng)用
在專案設(shè)計(jì)階段，我們使用CompactRIO 控制器記錄太陽電池的效能，以建立電池于不同氣候條件下的效能曲線。我們連接電池與系統(tǒng)，以了解不同溫度下的放電情形，并于每次試駕時(shí)記錄駕駛的動(dòng)作，以協(xié)助團(tuán)隊(duì)判別駕駛行動(dòng)是否正確。
因?yàn)檐囕v完全由太陽能供電，我們將電子設(shè)備的耗電量降至低，讓馬達(dá)獲得大部分的電力，才能完成賽程?？椭苹? 槽式機(jī)箱可擷取如GPS、電池資訊、太陽能電池狀態(tài)、馬達(dá)效能，與駕駛動(dòng)作的資料。接著將所有資料儲(chǔ)存于cRIO-9014 – Real-Time 控制器內(nèi)建的2 GB 記憶體，同時(shí)透過LabVIEW VI 將資料格式化為字串，再透過低耗電的2.4 GHz 無線電數(shù)據(jù)機(jī)，將資料傳輸?shù)阶粉欆嚿?圖3)。

圖3. 遙測系統(tǒng)的程式區(qū)塊圖

Real-Time 控制器具備足夠的儲(chǔ)存空間，追蹤車上亦裝備1 組筆記型電腦。策略團(tuán)隊(duì)在追蹤車上分析資料，并參考如道路、駕駛，與天候狀況的外部因素，以決定車行速度。
完成所有試駕之后，我們接著分析資料并微調(diào)太陽能車的機(jī)械元件，如調(diào)整車輪、轉(zhuǎn)向靈敏度、懸吊，與胎壓，以提升太陽能車的性能。透過LabVIEW，我們可模擬澳洲所有的可能天候狀況，這樣我們更能有效評估太陽能陣列所提供的電力與功率。此外，我們也會(huì)在賽事過后分析所得的資料，以進(jìn)一步強(qiáng)化新一代的太陽能車。
結(jié)論
因?yàn)槲覀冊谶@個(gè)專案使用即時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，且太陽能車所能提供的資料范圍太過廣泛，所以我們初并無法確定主要的焦點(diǎn)為何。隨著專案的進(jìn)展，我們于競賽與設(shè)計(jì)階段，均透過CompactRIO 繪制出電池在不同溫度下的放電率圖表，并借以了解自制太陽能矩陣的效能。本專案從設(shè)計(jì)、實(shí)際比賽，到后續(xù)分析的所有階段，CompactRIO 實(shí)在助益良多。我們成功使用CompactRIO 為太陽能車開發(fā)了監(jiān)控系統(tǒng)，且針對未來的更多太陽能專案，我們亦準(zhǔn)備繼續(xù)使用相同的機(jī)箱與控制器。

我們使用 NI LabVIEW 與 NI TestStand 開發(fā)靈活的軟件架構(gòu)，以解決目前及未來的測試需求。這套軟件的功能眾多，能夠測試不同版本的產(chǎn)品，以及開放式與封閉式硬件。使用 NI TestStand，我們可以利用商業(yè)可用的測試執(zhí)行功能來節(jié)省開發(fā)時(shí)間。
使用定制化的操作界面，操作員可以登陸、載入選出的測試序列，然后監(jiān)控測試過程。界面也會(huì)提供即時(shí)資料更新給操作員、生成測試報(bào)告，然后將所有的測試資訊記錄到資料庫中，供日后分析之用。我們在 LabVIEW 中撰寫個(gè)別的測試，這也可以節(jié)省開發(fā)時(shí)間，因?yàn)槲覀儞碛旋嫶蟮暮瘮?shù)庫可以測量、與硬件連接、分析結(jié)果，以及顯示。通過模塊化操作界面進(jìn)行序列控制，并將其與個(gè)別測試模塊分開，我們便能將開發(fā)的成果使用于更多有類似測試需求的產(chǎn)品上。以統(tǒng)一的格式記錄所有的數(shù)據(jù)，我們的研發(fā)與生產(chǎn)工程師就能進(jìn)行分析并找出趨勢，并制作生產(chǎn)收益的報(bào)告。他們也會(huì)使用數(shù)據(jù)分析失敗原因，并在設(shè)備制造的過程中找出待改進(jìn)之處。記錄中擁有所有的測試資料，包含使用的序列、參數(shù)、測試儀器的校正日期、測試時(shí)間，以及產(chǎn)品的通過 / 失敗狀態(tài)。

NI TestStand 成果斐然
新的功能測試系統(tǒng)協(xié)助我們在緊迫的時(shí)間壓力下完成工作，將新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)從概念階段帶入制造階段。NI TestStand 為我們的 LabVIEW 測試模塊制造了一個(gè)模塊化、可重復(fù)使用的測試架構(gòu)，NI TestStand 對我們來說非常實(shí)用。從的角度來看，我們現(xiàn)在可以在的短時(shí)間內(nèi)就開發(fā)完成測試系統(tǒng)，因?yàn)榕c軟硬件開發(fā)有關(guān)的大部分風(fēng)險(xiǎn)都被移除了。我們初期的訓(xùn)練投資成本也因?yàn)殚_發(fā)這個(gè)的時(shí)間縮短，而且收回了成本。在未來的開發(fā)中，因?yàn)槲覀兊墓こ處熞呀?jīng)習(xí)慣使用這些工具，所以我們預(yù)期開發(fā)的時(shí)間會(huì)縮短 30 %。

使用LabVIEW 建構(gòu)非侵入式技術(shù)而測得水果成熟度
概述：NI LabVIEW可找出平行板電容器雙板之間的佳距離。

因?yàn)檗r(nóng)業(yè)的原料與后農(nóng)產(chǎn)品均需達(dá)到相同品質(zhì)，所以在采收前后了解水果的品質(zhì)與成熟度格外重要。但是一般果農(nóng)難以確實(shí)得知水果的成熟度，特別是果色與成熟度無關(guān)的水果。雖然或果農(nóng)可以看出水果成熟度，但也無法因應(yīng)大量采收的水果。因此我們需要穩(wěn)定、快速、非侵入式的技術(shù)，測得水果的物理屬性而進(jìn)一步了解水果的品質(zhì)與其成熟度。只要能且自動(dòng)分類水果的成熟度，就能進(jìn)一步讓農(nóng)業(yè)升級(jí)，并造福超級(jí)市場的消費(fèi)者。舉例來說，若能根據(jù)采收條件而系統(tǒng)性的了解水果成熟度，就能讓消費(fèi)者進(jìn)一步判斷水果品質(zhì)。
大多數(shù)的傳統(tǒng)方式均具有破壞性，而無法大量應(yīng)用于實(shí)務(wù)中。某些方式則透過硬度計(jì)(Penetrometer) 或沖擊力，測得水果的硬度。另可量測與成熟度相關(guān)的參數(shù)或化學(xué)物含量，如pH 酸堿值、可滴定酸度(Titratable acidity，TA)、可溶性固態(tài)物(Soluble-solid，SS) 含量、乙烯(Ethylene) 含量等。若要量測這些化學(xué)值與參數(shù)，往往侵入水果再應(yīng)用復(fù)雜的分析技術(shù)，如氣液相層析(Gas - Liquid Chromatography (GLC) 與滴定法(測酸度)。
但近出現(xiàn)了非侵入式的水果成熟度檢測法。這些方法包含核磁共振(NMR) 與質(zhì)子共振(PMR)，可了解可溶性固態(tài)物的含量；機(jī)器視覺系統(tǒng)則可減測水果果皮的顏色；音訊系統(tǒng)則可測出水果硬度。但是這些方式仍有潛在問題，如NMR 與PMR 均為位的設(shè)備，且水果顏色不一定與其成熟度相關(guān)。

使用LabVIEW 與DAQ 監(jiān)控人體于動(dòng)態(tài)平臺(tái)上的擺動(dòng)
概述：使用NI LabVIEW軟體搭配NI資料擷取(DAQ)硬體建構(gòu)平臺(tái)，其表面具備122組應(yīng)力感測電阻器(FSR)并能以200 Hz進(jìn)行取樣，以量測人體擺動(dòng)與平衡的控制情形。

人體即使在直立時(shí)，亦需隨時(shí)保持著穩(wěn)定性。人體整合多種機(jī)制，才能避免身體在靜、動(dòng)態(tài)的條件下跌倒。測力板(Force platform) 與Stabilogram 均為量測、量化人體平衡度的標(biāo)準(zhǔn)。另根據(jù)時(shí)間概念而搜集壓力中心(COP)，以呈現(xiàn)姿勢控制的結(jié)果。基本上是以表面支撐人體中心，再垂直投射相關(guān)應(yīng)力。主機(jī)電腦將根據(jù)FSR 的訊號(hào)而執(zhí)行一系列的計(jì)算作業(yè)，以取得COP (如圖1)。

圖1. 負(fù)責(zé)計(jì)算人體足部擺動(dòng)的程式圖區(qū)塊
大多數(shù)的姿勢與平衡計(jì)量技術(shù)，均是主動(dòng)操作姿勢或平衡狀態(tài)，再計(jì)算出人體的反應(yīng)。在此系統(tǒng)中，我們是讓人體于不穩(wěn)定的支撐表面上保持平衡，達(dá)到自我反應(yīng)的效果。若讓人體站在可移動(dòng)的支撐表面上，亦可達(dá)到相同的變數(shù)。針對任何測試點(diǎn)，我們的平臺(tái)可達(dá)到不同方向的平衡紊亂(如圖2)。
在銜接儀器之后，此平臺(tái)可隨時(shí)追蹤人體COP 的移動(dòng)，再顯示各種狀態(tài)下的人體穩(wěn)定程度。此時(shí)如BOSU Balance Trainer 的動(dòng)態(tài)表面就極其重要，可完整補(bǔ)償姿勢控制器統(tǒng)，而模擬動(dòng)態(tài)條件。與僅能模擬靜態(tài)條件的靜態(tài)平臺(tái)相較，動(dòng)態(tài)表面更能呈現(xiàn)病理學(xué)方面的問題。
儀器控制
此堅(jiān)固平臺(tái)的直徑為635 mm，非平面的圓頂直到動(dòng)態(tài)平臺(tái)之處均為柔軟材質(zhì)(如圖2)。另有薄薄一層FSR 排列為陣列，固定于平臺(tái)之上。我們另于平臺(tái)之上安裝感測器，以捕捉不同的站立姿勢，并達(dá)到更大的儀控面積(如圖2)。此系統(tǒng)好能盡量減少各種限制。
使用LabVIEW 與NI CompactDAQ 測試小型牽引機(jī)的噪音與振動(dòng)
概述：使用LabVIEW and NI CompactDAQ模組架構(gòu)的可攜式資料擷取系統(tǒng)記錄測試參數(shù)并且根據(jù)受測的單元與組態(tài)產(chǎn)生報(bào)告。

我們選擇LabVIEW 架構(gòu)的可攜式DAQ 系統(tǒng)，且NI CompactDAQ 模組可輕松攜帶至戶外測試場地。系統(tǒng)將記錄測試參數(shù)，并根據(jù)受測單元與組態(tài)產(chǎn)生報(bào)告。另外，我們也可重新設(shè)定系統(tǒng)，以用于如振動(dòng)量測的其他應(yīng)用。
LabVIEW 圖形化程式設(shè)計(jì)的特性，讓我們可輕松學(xué)習(xí)，且軟體亦可無限制客制化。因?yàn)槿绱?，我們功能以NI 軟體工程師撰寫的程式迅速上手，再針對自己的需求客制化其輸入與輸出，針對各個(gè)特定測試產(chǎn)生所需的報(bào)表。
牽引機(jī)噪音滿足多項(xiàng)排放標(biāo)準(zhǔn)，而為保護(hù)使用者所訂定的引擎噪音也有多種規(guī)范。售往歐洲的牽引機(jī)，先通過完整的測試，除了表明該設(shè)備已符合特定的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，并需標(biāo)示其他測試中的聲音功率強(qiáng)度。這些規(guī)范可避免機(jī)器損害使用者的聽力，且若人體長期暴露于高噪音與高振動(dòng)的環(huán)境中，往往會(huì)對身體造成不良的影響。
聲音功率量測
適用于聲音功率的LabVIEW 參考函式庫VI，加上NI Sound and Vibration Measurement Suite，可讓我們按照ISO-3744 的標(biāo)準(zhǔn)，透過聲源周圍的麥克風(fēng)陣列，而計(jì)算出聲音功率。聲音功率代表由聲源所發(fā)出的聲音能量強(qiáng)度，并可用于大多數(shù)的環(huán)境噪音測試作業(yè)。在受測聲源周圍，排列出既定幾何圖案的麥克風(fēng)陣列，即可進(jìn)行量測作業(yè)。我們將麥克風(fēng)所測得的聲壓強(qiáng)度(dB ref 20 μPa) 加以平均，隨即得出聲音功率強(qiáng)度(dB ref 1 pW)。
此標(biāo)準(zhǔn)另說明麥克風(fēng)幾何形式的大小與形狀，還有修正背景噪音的方式。在計(jì)算總聲音功率強(qiáng)度之前，我們平均表面區(qū)域的聲壓強(qiáng)度，以獲得表面的平均分?jǐn)?shù)倍頻頻譜。在得出表面的平均分?jǐn)?shù)(Octave) 頻譜之后，即可測定全部的聲音功率強(qiáng)度。聲音強(qiáng)度的量測結(jié)果，可透過各個(gè)頻帶(Band) 中的聲音強(qiáng)度，呈現(xiàn)為總強(qiáng)度或分?jǐn)?shù)倍頻頻譜。我們使用內(nèi)建的參照函式庫VI，并由NI 工程師協(xié)助使用LabVIEW，客制化聲音功率的量測程式。
測試場地
我們于草地上建造半徑13 公尺的戶外水泥測試地。每6 個(gè)麥克風(fēng)為1 組陣列，并安裝于三腳架上，且其中2 組三腳架約為518 公分(17 英尺) 高。為了設(shè)置測試作業(yè)，我們使用自己設(shè)計(jì)的容器安裝并保護(hù)的腳架、連接線、麥克風(fēng)、筆記型電腦，與測試小桌。我們共設(shè)置6 組麥克風(fēng)腳架，并有連接線將各組麥克風(fēng)連至DAQ 機(jī)箱。完成參考量測以校準(zhǔn)系統(tǒng)之后，隨即開始測試。