基于NI LabVIEW 7.1和NI-DAQmx的F1赛车弯角器和刹车测力计

本文是对在制作一级方程式赛车的高速度和加速度水平的测力计时相应的硬件软件情况做了简单的介绍。


挑战：打造一种全新的可以适应一级方程式赛车的高速度和加速度水平的测力计并且在实际的车轮和悬挂的组装中完成这些测试。

应用方案：新的系统将基于一台工业用奔腾4 HT 3.2g赫兹，内存达到1GB的计算机，使用的是NI数据采集和控制卡，软件的编译都是通过在LabVIEW图形化编程环境中来实现。

使用的产品：数据采集（DAQ），LabVIEW，动态控制，PXI/CompactPCI

30多年来，AP Racing在制动钳和赛车离合器的技术和生产上一直处于世界领先水平。AP Racing在不断超越现有产品的过程中得出这样的结论，如果一种新的测力计具备了下列能力，它将具有非常明显的优势：

它能够对设备安装和在实际的车轮和悬挂组装过程中测试刹车和刹车钳。
它具备足够的动力准确地模拟一级方程式赛车的速度和加速度。
它可以模拟刹车钳周围的空气流动并且能够通过不同的管道设计对于空气流动进行研究。
它可以导入刹车情况和加速度情况的跟踪数据。
由于AP Racing有着非常强的设计能力， 他们决定在场地内建造该设备，这将有益于降低成本和更好地控制系统性能。对于软件和电子控制系统，AP Racing选择了我们根据自己在该领域的经验开发的计算机控制解决方案（CCS）和一系列我们先前成功用于AP Racing维护的测试机械。

该系统基于一台工业电脑，它拥有奔腾4 HT 3.2赫兹，1GB内存和下列采集卡：

PCI-DIO-96提供96位输入输出
PCI-6033E提供8位和64类比输入
PCI-7344四轴控制器
我们通过各种信号调理装置连接这些板卡,用以控制和测量如下系统环节:

288千瓦转换器
240 kph流入空气流动控制
为刹车压力而应用的液压伺服控制系统
扭矩、温度、红外线温度、压力和速度的度量
用来控制机械平面的转换器
水冷却和监控
散热和监控
盘载电容和置换
我们完全在LabVIEW图形化编程环境中编写软件。主要的设计元素有下面这些：

直观性: 我们把设计过程各种功能集中到主菜单里，这样操作者可以逐项查找所有的输入输出，建立测试，运行测试,分析数据。还有一个简化了的菜单选项也把这个界面变成了一个可以运行设计前测试的基本窗体。
校准屏：我们充分利用了TFT双显示器，设计出了校准屏从而在左屏提供了表格化的所有输入输出的显示。这些表格对于校验工程师察看和检查输入和输出来说是再好不过的了。右边的屏幕包括了一个完整的设备模仿图，对于识别变频器和控制器的位置而言是非常有用的。
模块化，便于测试开发：我们把一个测试的每一个方面细分到每一个模块中 （例如，应用刹车、转到速度、循环、采集开始和停止）。用户可以通过将这些模块加到一个简单的列表中，从而建立整个测试组件。
直观的运行屏幕：利用LabVIEW的速度优势，我们得以展现整个运行屏幕，标出测试的位置，模拟图，双翻页显示和状态信息。
使用最新版的LabVIEW和NI-DAQmx控制

在最后的系统开发过程中，NI发布了LabVIEW 7.1和NI-DAQmx。在研究了这个软件之后，我们决定升级至最新版本的系统，因为这一最新版系统带来几项重要优势,具体如下：

平稳便捷的LabVIEW版本升级：在该产品发布前，我们协助了测试版的调试，这让我们对该产品有了最初的信心。我们也发现新发布的产品非常稳定也更易于升级。
高速数据采集：系统的设计能力包括连续存盘和显示模拟图和图表的控制，它被显示在两个屏幕上，数据变化的速率是每个频道2千赫兹。通过NI- DAQmx代码的实施，我们看到数据采集速率上升了大约5倍，因此，我们给系统腾出运行空间来实现更多的实时控制和显示。
非线性采集：通过使用NI-DAQmx，我们自动地为红外线温度变频器应用了一组非线性采集，这样避免了后期处理并且得以实时显示这些线性化的频道。
安装屏实施：我们使用了最新实施的安装屏，在主运行屏幕上的安装屏上显示出测试中每一个特定点的状态。我们所体验到的一个优势是它的主屏幕一直是焦点所在，所以当我们运行安装屏的时候，终止按钮始终处于活动状态。
设计的挑战：高速独立的闭环控制

系统要求下列闭环控制：

扭矩控制：控制所应用的刹车扭矩以符合实际状况、一般水平和速度所依赖的水平。
压力控制：控制刹车所承受的压力以符合实际状况、一般水平和速度所依赖的水平。
在管道中和基于刹车的速度输出情况下模拟空气流动
速度控制：机动反向器控制
对于这项应用，有着各种各样的相似物或DSP解决方案的伺服控制卡。然而，我们发现NI四轴线动态控制器完全适应这一系统，该方案达到这一最佳效果主要原因如下：

它是在LabVIEW环境中完全受到控制的：从一个软件维护的角度来讲这是非常重要的，因为它避免了同时存在其他软件产品和关联的代码库而产生的版本控制问题和额外安装所带来的不便。
低成本：对比其他DSP实施或伺服控制器，性价比是无与伦比的。
它拥有高的PID环路速率：高达16千赫兹的PID环路速率确保了PID控制由一些宏命令组成，比一些一般的控制器更易于控制，从而提供了非常流畅的机械活动和控制。

系统目前运行状态良好，为AP Racing开发团队和一级方程式团队测试所有的竞技车刹车和刹车钳。我们也因为这个项目而找到了一种独一无二的测试刹车的先进方案。通过实现赛车组件中刹车测力测试系统的设计，我们得到了无可比拟的数据采集与分析的信息源，由此实现准确的数据回馈以协助更完善的刹车测试。凭借LabVIEW和相关硬件，我们开发出可用于复杂控制和易于操作维护的稳定系统。此外,我们还在研究一套视觉系统应用，用于提供数据嵌入式视频文档。