利用labview為太陽能車開發(fā)遙測(cè)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(cè)(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(cè)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(duì)隨時(shí)擬定佳對(duì)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(cè)，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(cè)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?cè)趩?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(cè)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(píng)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(cè)谶@個(gè)專案使用即時(shí)監(jiān)測(cè)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(jìng)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(duì)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。

NI TestStand 成果斐然
新的功能測(cè)試系統(tǒng)協(xié)助我們?cè)诰o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(cè)試模塊制造了一個(gè)模塊化、可重復(fù)使用的測(cè)試架構(gòu)，NI TestStand 對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(cè)得水果的硬度。另可量測(cè)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(cè)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(cè)酸度)。
但近出現(xiàn)了非侵入式的水果成熟度檢測(cè)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(cè)水果果皮的顏色；音訊系統(tǒng)則可測(cè)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(cè)電阻器(FSR)并能以200 Hz進(jìn)行取樣，以量測(cè)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(cè)力板(Force platform) 與Stabilogram 均為量測(cè)、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(shì)控制的結(jié)果?；旧鲜且员砻嬷稳梭w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(shì)與平衡計(jì)量技術(shù)，均是主動(dòng)操作姿勢(shì)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(duì)任何測(cè)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(shì)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(cè)器，以捕捉不同的站立姿勢(shì)，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。

每次進(jìn)行EO 實(shí)驗(yàn)，COP 明顯均集中在同一區(qū)域。但若進(jìn)入EC 實(shí)驗(yàn)，受測(cè)人員的COP 分布就會(huì)產(chǎn)生的變化。結(jié)果顯示，所有受測(cè)人員若要在不平衡的表面上達(dá)到平衡，將極度依賴自己生理上的本體感受器(Proprioceptor) 告知大腦目前狀態(tài)，也解釋了COP 分配區(qū)域大幅增多的原因。
一項(xiàng)對(duì)EC 實(shí)驗(yàn)的有趣觀察指出，若受測(cè)人員對(duì)生活形態(tài)抱持輕微的積極態(tài)度，則搖擺的程度較大；若對(duì)生活形態(tài)抱持適當(dāng)?shù)姆e極態(tài)度，其搖擺程度亦較小。不同的生活形態(tài)亦反應(yīng)出COP 的分配范圍。與適當(dāng)積極態(tài)度的受測(cè)人員相較，較不積極的人其COP 分配范圍亦較大。
若受測(cè)人員已熟悉了Balance Trainer 動(dòng)態(tài)平臺(tái)，亦將更能控制COP 的分配范圍，亦能進(jìn)一步控制自己的本體感受器。在實(shí)際擷取資料之前，這些受測(cè)人員已經(jīng)實(shí)際使用動(dòng)態(tài)平臺(tái)達(dá)7 天。
結(jié)論
總的來說，我們用LabVIEW 與DAQ 建構(gòu)動(dòng)態(tài)平圖，可了解人體在不穩(wěn)定表面上的平衡狀態(tài)。儀控式的動(dòng)態(tài)平臺(tái)顯示了下列特性：
? 測(cè)得受測(cè)人員的姿勢(shì)控制與擺動(dòng)情形若受測(cè)人員的COP分配范圍較大，也耗上更多力氣才能達(dá)到平衡
? 受測(cè)人員若對(duì)生活抱持積極的態(tài)度，也展現(xiàn)了較佳的姿勢(shì)控制能力
? 在切斷視覺之后，人體會(huì)立刻切換為本體感受器，通知身體是否在特定方向的擺動(dòng)幅度過大
? 受測(cè)人員在熟悉了平臺(tái)之后，亦將縮小其COP分配范圍綜合以上結(jié)論，受測(cè)人員只要能控制自己的本體感受器，就越能在非平衡的表面上讓自己保持平衡。
使用LabVIEW和PXI進(jìn)行東海大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)
概述：部署一個(gè)堅(jiān)固耐用的PXI系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)環(huán)境對(duì)大橋產(chǎn)生的影響，進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算以確定大橋的即時(shí)結(jié)構(gòu)健康狀況，并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，進(jìn)行離線處理。

東海大橋作為中國跨海大橋，耗資12億美元，于2005年完成通車。六車道的大橋?qū)⑸虾Ｅc洋山島連在了一起，大橋全長(zhǎng)32.5千米，并設(shè)計(jì)成S形以避開臺(tái)風(fēng)和海浪區(qū)，以車輛安全行駛。
我們搭建了一個(gè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）系統(tǒng)，它能夠提供大量的數(shù)據(jù)來評(píng)估大橋損壞和退化程度、結(jié)構(gòu)性能狀況、對(duì)于突發(fā)性災(zāi)難的反應(yīng)。利用這些數(shù)據(jù)可以對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)進(jìn)行研究。
我們使用基于NI PXI的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，源于其良好的堅(jiān)固性和小巧的體積，適用于放置在大橋的保護(hù)區(qū)域中。事實(shí)證明，系統(tǒng)在安裝完畢后成功地克服了大橋所遇到的濕度、灰塵、震動(dòng)和化學(xué)腐蝕等各種難題。使用LabVIEW，工程師能夠進(jìn)行重要的實(shí)時(shí)分析，同時(shí)，能夠?qū)Υ髽蛏洗罅康膫鞲衅鳟a(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行離線處理。
硬件系統(tǒng)設(shè)置
對(duì)東海大橋?qū)嵤┍O(jiān)控需要使用超過500個(gè)傳感器，在大橋每段都放置了加速度計(jì)和FBG光學(xué)傳感器，來采集環(huán)境激勵(lì)所引起的頻率響應(yīng)。同時(shí)，大橋還配備了風(fēng)速儀和壓式傳感器，以記錄頻率響應(yīng)所對(duì)應(yīng)的環(huán)境條件。大橋每一段還設(shè)有一個(gè)數(shù)據(jù)采集站，配備NI PXI-4472B動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡（DSA）從周圍的加速度計(jì)采集相關(guān)數(shù)據(jù)。
另外，我們使用NI PXI-6652同步模塊和?NI PXI-6602計(jì)數(shù)器模塊，以及NI PXI-8187機(jī)箱控制器，來解決數(shù)據(jù)采集的同步問題。
在對(duì)東海大橋上的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，我們給每個(gè)PXI機(jī)箱都安裝了一個(gè)GPS，使用脈沖每秒（PPS）和IRIG-B定時(shí)信號(hào)分別進(jìn)行信號(hào)同步和時(shí)間標(biāo)識(shí)。PPS每秒傳輸一千萬脈沖，為每個(gè)機(jī)箱提供采樣基準(zhǔn)時(shí)鐘。這使得采集模塊可以在100納秒的分辨率下對(duì)大橋上所有設(shè)備的通道實(shí)現(xiàn)同步采樣。