巨克富科技「可攜式高速資料記錄器」在工業及學術研究上之應用

Author(s):
黃 智宏 協理 - 巨克富科技有限公司

Industry:
Automotive, University/Education, Research, Industrial Controls/ Devices/ Systems

Products:
Data Acquisition, LabVIEW, SCC, Signal Conditioning

The Challenge:
開發具備輕巧、無須外接電源且可同時支援電壓、電流、溫度、應變、扭力、位移及加速度等多種常用感測器之泛用型的可攜式高速資料記錄器，提供使用者長時間高速量測記錄。另外，軟體必須提供即時分析及完整報表匯出功能

The Solution:
使用 NI 的 LabVIEW 軟體及 DAQCard-6036E 高速資料擷取卡搭配 SCC 訊號處理模組中之彈性電源供應模組，支援多種不同訊號源之處理模組，建構一套可依照使用者量測需求之高速資料記錄器，軟體中提供參數設定精靈，方便使用者完成硬體設定；LabVIEW Report Generator Toolkit 可將紀錄資料匯出使用者自訂的 Excel 報表樣版，省卻人工處理時間，提升整體工作效率。

資料記錄器 (Data Logger) 廣泛被應用在各個領域，如工廠及實驗室環境監控、機台振動及應變監控、車輛振動噪音等，目前市面上之資料記錄器大都是針對某些特定訊號 (如溫度) 所設計，無擴充彈性，無法滿足使用者日趨多樣的量測需求；另一方面，傳統資料記錄器因其電源需求與裝置體積重量等限制無法適用需要在移動的測試環境，如汽車行進間的振動噪音測試，造成使用者相當大的困擾。再者，市面上大多數的資料記錄器除了測量訊號種類與量測通道數量不足等缺點外，其所搭配的軟體大都過於陽春，缺乏後續分析與自訂報表等便利性功能，使用者需花費相當的時間與心力對其收錄的資料進行後端的分析與報表製作，工作效率無法符合要求。

巨克富科技 (Chief Technology) 為 National Instruments 公司在台灣少數專業系統整合商之一，長期深耕於整合量測與監控系統的開發，有鑑於市場上對於可攜式高速多功能資料記錄器的需求殷切，針對上述傳統資料記錄器之缺失，藉由業界公認高效能開發工具 LabVIEW 配合『National Instruments』SCC 可攜式訊號處理模盒與多樣的訊號處理模組，整合出最新一代的可攜式高速資料記錄器，目前已實際應用在醫學工程與汽車工業等之量測記錄上。 

進入可攜式高速記錄器的時代

長期以來，巨克富科技都是以 LabVIEW 這個以資料流程序控制的軟體作為主要的開發工具，因為它對於硬體支援的密合度高，系統開發者無須花費太多的心力在硬體介面上，可將其大部分心力專注於核心程序的開發上，另外，它也提供相當豐富的數學運算與分析的函數，便利我們開發擷取資料後的分析功能，也因此這套可攜式高速資料記錄器的資料後處理分析功能才能如此順利完成。在硬體方面，在考量可攜性、電源與多樣訊號量測等需求後，我們發現 National Instruments 的 SCC 模組可以完全滿足這些需求，它可使用 DAQCard 所提供的電源，無須外接電源，同時支援電壓、電流、溫度、加速度、扭力、應變、位移等常用的訊號處理模組，高達 32 個訊號通道的高速資料擷取能力，加上它在訊號處理的高精度與高穩定度更使它成為我們此次開發所需硬體的不二選擇。 

「可攜式高速資料記錄器」在軟體功能方面，除了具備一般資料記錄器的定時記錄、顯示即時數值等基本功能外，還可以依照使用者需求選擇顯示即時曲線圖或長條圖，方便做趨勢觀察與分析。另外，對於加速規等感測器所傳回的動態訊號亦可即時進行頻譜分析 (FFT 頻譜分析)，甚至對於應變訊號量測更提供了計算主應變角度與大小、即時莫爾圓 (Mohr's Circle) 顯示等專業計算分析功能。

為了避免使用者在使用不同感測器時遭遇硬體參數設定上的困擾，本系統內建了直覺的參數精靈設定，程式除了自動判定系統所安裝的訊號模組外，還為依照所選定的硬體出現不同的參數設定視窗，以教導式的方式一步一步帶領使用者輕鬆完成所需的參數設定，設定完成的參數會自動記憶，方便使用者下回之使用，所有 LabVIEW 程式畫面皆採用視覺化方式呈現，有效降低使用者操作的學習門檻與時間。 

收錄資料後處理

傳統資料記錄器所搭配的軟體通常過於精簡，使用者通常需要花費相當時間與心力從收錄資料中篩選彙整出所需要資料，然後進行後段的分析與報表處理。然而，這些反覆性的工作通常是最耗費人力的，為提升使用者及企業的效率，巨克富科技為解決這個問題，利用 LabVIEW 搭配「LabVIEW Report Generator Toolkit for Microsoft Office」在這個高速資料記錄器軟體中加入了功能完整的後處理功能，除了功能完善的報表管理功能外，使用者還在曲線圖上直接拉選所要的資料範圍，直接產生報表或將其資料與圖表匯出到 Excel 中做進一步的處理，使用者也可自訂報表樣版，輸出符合企業要求的報表格式，透過這些貼心的設計可實際有效的減少使用者製作報表的時間與心力，提升整體的工作效能。

（應用一）醫學工程上的應用

近年來由於健康意識的抬頭，健身俱樂部如雨後春筍般在都會各角落林立，健身器材的安全性與效能逐漸被重視。跑步機是最常見的健身器材之一，為評估使用者在使用跑步機時的踏力大小是否會對關節造成傷害，我們在跑步機底部安裝力板 (Force plate)，並在力板四個角落安裝有三軸向的 Load cell，透過特定運算程序，我們可以實際量測到使用者的踏力分佈，得到的數據可以作為醫學工程研究之用，例如運動員訓練或運動傷害復健之參考。 

（應用二）汽車工業上的應用

汽車工業日新月異，汽車除了代步基本功能外，安全性與舒適性已然成為汽車不可或缺的要求，因為對於汽車行進間的振動與噪音問題就成為各大車廠努力改良的重點之一，由於所要量測的是車輛行進間車艙內的動態訊號，所以此次開發的可攜式高速資料記錄器因其具備可攜性、高速擷取與訊號處理等能力，所以非常適合用來處理這類型動態訊號的監控記錄。加速規可以安置在高速行駛車輛的方向盤上，以量測行進間車輛的振動狀況，噪音計則可安置於駕駛座附近，以確認駕駛艙內的噪音情形，振動及噪音訊號可同時連結到可攜式高速資料記錄器上配合開發完善的軟體做即時的資料擷取、紀錄與訊號分析，透過這套可攜式高速記錄器的輔助，車廠研發人員可實車在各種不同的路況下進行實驗，藉此找出最佳的車架、避震系統與隔音的設計參數，作為車輛改款時的參考依據。

結論

可攜式高速資料記錄器是目前資料記錄器的趨勢，除具備輕巧可攜性外，高速擷取、長時間紀錄、可同時接受多樣不同訊號等特性更是不可或缺。NI 的 SCC 模組完全符合了上述的要求，高效能與穩定的訊號處理能力，更為此可攜式高速資料記錄器加分不少；另外， NI 的 LabVIEW 開發工具更提供了我們開發軟體上相當大的便利性，其強大的硬體支援能力更大幅減少我們開發上的負擔，使這次可攜式高速資料記錄器的開發可以在短時間內完成。

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