基于LabVIEW的便携式汽车噪声采集系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种基于LabVIEW的便携式汽车噪声采集系统，包括硬件部分和软件部分，硬件部分包括传感器模块、数据采集模块和便携式计算设备；其中传感器模块包括转速传感器和麦克风传感器；软件部分是基于LabVIEW开发的程序，包括人机界面和数据处理系统，其中数据处理系统包括通道配置模块、参数设置模块、数据采集模块、数据读取模块、数据处理模块、数据显示模块和数据存储模块。本发明简化了车内噪声道路试验的工作，其设备携带方便、测试过程简单、可靠性高，并有较好的灵活性。
【专利说明】
基于LabV IEW的便携式汽车噪声采集系统
技术领域
[0001] 本发明涉及汽车噪声测试技术领域，具体是一种基于LabVIEW的便携式汽车噪声 采集系统。
【背景技术】
[0002] 汽车给人们带来方便的同时，其噪声对人们的工作、生活和身心健康也产生了日 益严重的影响，因此越来越受到各大主机厂和消费者的关注。噪声振动工程师往往需要通 过道路试验来评价试验样车的实际噪声水平。现有技术中，普遍采用进口的测试设备，这些 设备虽然能精确地采集数据，但其价格昂贵，设备笨重，安装不便，软件操作复杂，使用久了 其内置电池就不能保证长时间的工作。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种基于LabVIEW的便携式 汽车噪声采集系统，简化了车内噪声道路试验的工作，其设备携带方便、测试过程简单、可 靠性高，并有较好的灵活性，操作简单，通过笔记本电脑供电，无需考虑设备的供电问题。本 发明采用的技术方案是：
[0004] -种基于LabVIEW的便携式汽车噪声采集系统，包括硬件部分和软件部分，件部分 包括传感器模块、数据采集模块和便携式计算设备;其中传感器模块包括转速传感器和麦 克风传感器;软件部分是基于LabVIEW开发的程序，包括人机界面和数据处理系统，其中数 据处理系统包括通道配置模块、参数设置模块、数据采集模块、数据读取模块、数据处理模 块、数据显示模块和数据存储模块。
[0005] 进一步地，
[0006] 转速传感器与汽车发动机任一单缸点火线圈的导线连接，采集汽车发动机上任一 单缸点火时发出的脉冲时域信号；
[0007] -个或多个麦克风传感器安装在车内待测位置上；
[0008] 转速传感器和麦克风传感器的输出端口均与数据采集模块连接;数据采集模块通 过USB数据线与便携式计算设备连接，并通过便携式计算设备供电；
[0009]所述通道配置模块用于对已连接的数据采集模块进行激活，并对数据采集模块的 每个模拟输入通道进行配置，配置参数包括各模拟输入通道的激活、各模拟输入通道的信 号类型；
[0010]所述参数设置模块用于进行参数设置，包括设置一般参数和测试参数;其中测试 参数包括采样频率，麦克风传感器的灵敏度，每次记录的时间长度，发动机缸数，触发电平； [0011]所述数据采集模块用于实时采集转速传感器和麦克风传感器的输出信号，并通过 数据读取模块读取获得转速原始信号和噪声原始信号；
[0012]所述数据处理模块用于对转速原始信号和噪声原始信号分别进行处理，获得发动 机转速和各个麦克风传感器通道上噪声的声压级信息；
[0013] 所述数据显示模块用于将发动机转速信息和噪声声压级信息发送至人机界面上 显不；
[0014] 所述人机界面是测试时的操作界面，通过人机界面上的按钮和输入控件与后台的 数据处理系统进行交互，并通过人机界面上的显示控件实时观察测试的结果；
[0015] 所述数据存储模块用于保存获得的发动机转速信息和噪声声压级信息。
[0016] 更进一步地，
[0017]数据处理模块对转速原始信号处理，具体包括：
[0018] 转速原始信号为转速传感器采集的汽车发动机上任一单缸点火时发出的脉冲时 域信号;读取相邻两次脉冲时域信号之间的采样数，根据公式（1)得出相邻两次脉冲时域信 号的时间间隔：
[0019] Ti=M/fs (1)
[0020] 上式中为相邻两次脉冲时域信号的时间间隔;Μ为相邻两次脉冲时域信号的采 样数;fs为采样频率；
[0021 ]根据公式(2)计算得出单缸点火频率：
[0022] F = l/Ti = fs/M (2)
[0023] 上式中:F为单缸点火频率；
[0024]单缸的点火频率为：
[0026]则发动机转速为：
[0027] E = 30XAXF (4)
[0028] 上式(3)、（4)中：F为单缸的点火频率，单位为Hz ;E为发动机转速，单位为r/min; A 为气缸数量。
[0029] 更进一步地，
[0030] 数据处理模块对噪声原始信号处理，具体包括：
[0031] 噪声原始信号为读取的麦克风传感器采集的原始电压信号，通过公式(5)计算得 出声压值，
[0032] P = U/S (5)
[0033] 上式中：P为瞬时声压值;U为麦克风传感器测得的原始电压信号；S为麦克风的灵 敏度；
[0034] 根据公式(6)计算单位时间内的声压有效值，
[0036] 上式中：Prms为声压有效值;T2为单位时间；P(t)即公式(5)中的P随时间的变化函 数；
[0037] 根据公式(7)计算得出噪声的声压级，
[0039] 上式中：LP为噪声的声压级;Prms为声压有效值;Po为参考声压。
[0040] 进一步地，数据显示模块还将转速随时间变化的波形图和噪声声压级随时间变化 的波形图通过人机界面显示。
[0041] 进一步地，软件部分还包括麦克风校准模块，用于对麦克风传感器的灵敏度的校 准，校准之后自动更新对应的麦克风传感器的灵敏度。
[0042] 进一步地，硬件部分还包括一 USB分线器，各数据采集模块通过USB数据线连接USB 分线器的输入端，USB分线器的输出端通过USB数据线连接便携式计算设备。
[0043] 进一步地，参数设置模块设置的一般参数包括测试名称、测试日期、测试人员。
[0044] 本发明的优点在于:本发明提供了一种基于LabVIEW的便携式汽车噪声采集系统， 通过便携式计算机与USB 4431数据采集模块相结合，利用LabVIEW软件搭建了一个灵活、经 济实用的汽车噪声采集系统，能够同时采集一路转速信号和多路麦克风信号，通过数据处 理系统对采集的数据进行计算，在人机界面上实时显示计算结果并进行存储。本发明简化 了车内噪声道路试验的工作，其设备携带方便、测试过程简单、可靠性高，并有较好的灵活 性。
【附图说明】
[0045] 图1为本发明的结构组成示意图。
[0046] 图2为本发明的硬件部分连接示意图。
[0047]图3为本发明的汽车噪声测试流程框图。。
[0048]图4为本发明的转速传感器采集的脉冲时域信号以及采样示意图。
【具体实施方式】
[0049]下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0050] 如图1所示，一种基于LabVIEW的便携式汽车噪声采集系统，包括硬件部分和软件 部分，硬件部分包括传感器模块1、NI USB4431数据采集模块2和笔记本电脑3;其中传感器 模块1包括转速传感器4和麦克风传感器5;笔记本电脑3作为便携式计算设备;软件部分是 基于LabVIEW开发的程序，包括人机界面6和数据处理系统7,其中数据处理系统7包括通道 配置模块8、参数设置模块9、数据采集模块11、数据读取模块12、数据处理模块13、数据显示 模块14和数据存储模块15。人机界面6是工程师实际测试时的操作界面，工程师可通过人机 界面上的按钮和输入控件与后台的数据处理系统7进行交互，并可通过人机界面上的显示 控件实时观察测试的结果(即发动机转速和各个麦克风传感器通道上噪声的声压级信息）。
[0051] 图2为采集系统的硬件连接示意图，转速传感器4与汽车发动机任一单缸点火线圈 的导线连接，采集汽车发动机上任一单缸点火时发出的脉冲时域信号；一个或多个麦克风 传感器5安装在车内待测位置上；各传感器输出端口均与NI USB4431数据采集模块2连接。 NI USB4431数据采集模块2通过USB数据线与笔记本电脑3相连，并通过笔记本电脑3供电。 每个NI USB4431数据采集模块2具有四个模拟输入通道，转速传感器4连接其中的一个模拟 输入通道，剩余三个模拟输入通道可连接最多三个麦克风传感器5;当需要采用更多麦克风 传感器进行测试时，可通过USB分线器最多实现3个NI USB4431数据采集模块2与同一台笔 记本电脑相连，从而增加采集通道数量至12个，以满足测试需求;USB分线器设置在数据采 集模块2和笔记本电脑3之间，数据采集模块2通过USB数据线连接USB分线器的输入端，USB 分线器的输出端通过USB数据线连接笔记本电脑3;
[0052]所述通道配置模块8用于对已连接的数据采集模块2的每个模拟输入通道进行配 置；
[0053] 所述参数设置模块9用于进行参数设置，包括设置一般参数和测试参数；
[0054] 所述麦克风校准模块10,用于对麦克风传感器5的灵敏度的校准；
[0055] 所述数据采集模块11用于实时采集转速传感器4和麦克风传感器5的输出信号，并 通过数据读取模块12读取获得转速原始信号和噪声原始信号；
[0056]所述数据处理模块13用于对转速原始信号和噪声原始信号分别进行处理，获得发 动机转速和各个麦克风传感器通道上噪声的声压级信息；
[0057]所述数据显示模块14用于将发动机转速信息和噪声声压级信息发送至人机界面6 上显不；
[0058] 所述数据存储模块15用于保存获得的发动机转速信息和噪声声压级信息。
[0059] 图3为汽车噪声测试流程框图，硬件连接完成后，启动软件，首先通过通道配置模 块8进行通道配置，激活已连接的NI USB4431数据采集模块8,对已连接的NI USB4431数据 采集模块8的每个模拟输入通道进行配置，配置参数有是否激活该模拟输入通道，该模拟输 入通道采集的信号类型是噪声信号还是转速信号；
[0060] 下一步进行参数设置，包括一般参数和测试参数，一般参数包括测试名称、测试日 期、测试人员等常规信息，测试参数包括采样频率，麦克风传感器的灵敏度，每次记录的时 间长度，发动机缸数，触发电平等与数据采集相关的参数;触发电平用于甄别转速传感器4 输出的脉冲信号，转速传感器4的输出脉冲高于触发电平的就是其输出的脉冲时域信号；
[0061] 下一步对麦克风传感器5进行校准(可跳过），校准之后自动更新对应的麦克风传 感器的灵敏度;麦克风传感器5的校准可采用麦克风校准仪发出lKHz、94dB的声音信号进行 校准；
[0062]下一步进入数据采集界面，这时NI USB4431数据采集模块2开始工作，通过数据读 取模块12读取获得转速原始信号和噪声原始信号;信号处理模块13对转速原始信号和噪声 原始信号分别进行处理;工程师能从人机界面6上观察到各个通道采集到的转速和噪声信 息，单击开始记录按钮，系统立即记录接下来一段时间内（时间长度在参数设置中已设好） 的转速和噪声信息，并自动保存为Excel文件;记录完毕后，系统提示工程师可进行下一次 的数据记录，若不需要再记录数据，点击结束按钮完成测试。
[0063]数据处理模块13的详细信号处理过程如下：
[0064](一)转速原始信号处理：
[0065] 转速原始信号为转速传感器4采集的汽车发动机上任一单缸点火时发出的脉冲时 域信号;如图4所示，读取相邻两次脉冲时域信号之间的采样数，根据公式(1)得出相邻两次 脉冲时域信号的时间间隔：
[0066] Ti=M/fs (1)
[0067] 上式中为相邻两次脉冲时域信号的时间间隔，单位为s;M为相邻两次脉冲时域 信号的采样数;fs为采样频率，单位为Hz;
[0068] 根据公式(2)计算得出单缸点火频率：
[0069] F = l/Ti = fs/M (2)
[0070] 上式中:F为单缸点火频率，单位为Hz;
[0071] 因为目前大部分汽车的汽油发动机属于点燃式发动机，每次点火时点火系将电源 的低电压变成高电压，再按照发动机点火顺序轮流送至各气缸，点燃压缩混合气。对于一个 四冲程发动机，即发动机曲轴转两圈，每个气缸各点火一次，单缸的点火频率为：
[0073]则发动机转速为：
[0074] E = 30XAXF (4)
[0075] 上式(3)、（4)中：F为单缸的点火频率，单位为Hz ;E为发动机转速，单位为r/min; A 为气缸数量，对于四缸发动机，A = 4，对于六缸发动机，A = 6。
[0076](二)噪声原始信号处理：
[0077] 噪声原始信号为读取的麦克风传感器5采集的原始电压信号，通过公式(5)计算得 出声压值，
[0078] P = U/S (5)
[0079] 上式中：P为瞬时声压值，单位为Pa;U为麦克风传感器测得的原始电压信号，单位 为mv; S为麦克风的灵敏度，单位为mv/Pa;
[0080] 根据公式(6)计算单位时间内的声压有效值，
[0082] 上式中：Prms为声压有效值，单位为Pa;T2为单位时间，默认取值为0.1 s;
[0083]根据公式(7)计算得出噪声的声压级，
[0085]上式中：LP为噪声的声压级，单位为dB; Prms为声压有效值，单位为Pa; Po为参考声 压；Ρο = 0 ·00002ρΑ=20μΡ&。
[0086]数据显示模块14:根据数据处理模块13计算的结果，工程师可以在人机界面6上实 时观察到当前的发动机转速信息，各个麦克风传感器通道上的噪声声压级信息。人机界面 还能实时显示转速随时间变化的波形图和噪声声压级随时间变化的波形图。
[0087]本发明涉及的一些术语解释如下：
[0088] LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器(ΝΙ)公司研制开发；
[0089] NI USB4431数据采集模块是美国国家仪器(NI)公司的一种数据采集模块。
【主权项】
1. 一种基于LabVIEW的便携式汽车噪声采集系统，包括硬件部分和软件部分，其特征在 于： 硬件部分包括传感器模块（1)、数据采集模块(2)和便携式计算设备(3);其中传感器模 块(1)包括转速传感器(4)和麦克风传感器(5); 软件部分包括人机界面(6)和数据处理系统（7)，其中数据处理系统（7)包括通道配置 模块(8)、参数设置模块(9)、数据采集模块(11)、数据读取模块(12)、数据处理模块(13)、数 据显示模块(14)和数据存储模块(15)。2. 如权利要求1所述的基于LabVIEW的便携式汽车噪声采集系统，其特征在于， 转速传感器(4)与汽车发动机任一单缸点火线圈的导线连接，采集汽车发动机上任一 单缸点火时发出的脉冲时域信号； 一个或多个麦克风传感器巧)安装在车内待测位置上； 转速传感器(4)和麦克风传感器(5)的输出端口均与数据采集模块(2)连接;数据采集 模块(2)通过USB数据线与便携式计算设备(3)连接，并通过便携式计算设备(3)供电； 所述通道配置模块(8)用于对已连接的数据采集模块(2)进行激活，并对数据采集模块 (2)的每个模拟输入通道进行配置，配置参数包括各模拟输入通道的激活、各模拟输入通道 的信号类型； 所述参数设置模块(9)用于进行参数设置，包括设置一般参数和测试参数;其中测试参 数包括采样频率，麦克风传感器的灵敏度，每次记录的时间长度，发动机缸数，触发电平； 所述数据采集模块（11)用于实时采集转速传感器(4)和麦克风传感器(5)的输出信号， 并通过数据读取模块(12)读取获得转速原始信号和噪声原始信号； 所述数据处理模块（13)用于对转速原始信号和噪声原始信号分别进行处理，获得发动 机转速和各个麦克风传感器通道上噪声的声压级信息； 所述数据显示模块（14)用于将发动机转速信息和噪声声压级信息发送至人机界面(6) 上显示； 所述人机界面(6)是测试时的操作界面，通过人机界面上的按钮和输入控件与后台的 数据处理系统(7)进行交互，并通过人机界面(6)上的显示控件实时观察测试的结果； 所述数据存储模块(15)用于保存获得的发动机转速信息和噪声声压级信息。3. 如权利要求2所述的基于LabVIEW的便携式汽车噪声采集系统，其特征在于，数据处 理模块(13)对转速原始信号处理，具体包括： 转速原始信号为转速传感器(4)采集的汽车发动机上任一单缸点火时发出的脉冲时域 信号;读取相邻两次脉冲时域信号之间的采样数，根据公式(1)得出相邻两次脉冲时域信号 的时间间隔： Ti=M/fs (1) 上式中：Ti为相邻两次脉冲时域信号的时间间隔;Μ为相邻两次脉冲时域信号的采样数； fs为采样频率； 根据公式(2)计算得出单缸点火频率： F=l/Ti = fs/M (2) 上式中:F为单缸点火频率； 单缸的点火频率为：(3) 则发动机转速为： E = 30XAXF (4) 上式（3)、（4)中：F为单缸的点火频率，单位为化;E为发动机转速，单位为r/min; A为气 缸数量。4. 如权利要求2所述的基于LabVIEW的便携式汽车噪声采集系统，其特征在于，数据处 理模块(13)对噪声原始信号处理，具体包括： 噪声原始信号为读取的麦克风传感器5采集的原始电压信号，通过公式(5)计算得出声 压值， P = U/S (5) 上式中:P为瞬时声压值;U为麦克风传感器测得的原始电压信号;S为麦克风的灵敏度； 根据公式(6)计算单位时间内的声压有效值，化） 上式中:Prms为声压有效值;T2为单位时间； 根据公式(7)计算得出噪声的声压级，(7) 上式中:Lp为噪声的声压级;Prms为声压有效值;PO为参考声压。5. 如权利要求2所述的基于LabVIEW的便携式汽车噪声采集系统，其特征在于， 数据显示模块（14)还将转速随时间变化的波形图和噪声声压级随时间变化的波形图 通过人机界面显示。6. 如权利要求2所述的基于LabVIEW的便携式汽车噪声采集系统，其特征在于， 软件部分还包括麦克风校准模块（10)，用于对麦克风传感器(5)的灵敏度的校准，校准 之后自动更新对应的麦克风传感器的灵敏度。7. 如权利要求2所述的基于LabVIEW的便携式汽车噪声采集系统，其特征在于， 硬件部分还包括一 USB分线器，数据采集模块(2)通过USB数据线连接USB分线器的输入 端，USB分线器的输出端通过USB数据线连接便携式计算设备(3)。8. 如权利要求2所述的基于LabVIEW的便携式汽车噪声采集系统，其特征在于， 参数设置模块(9)设置的一般参数包括测试名称、测试日期、测试人员。
【文档编号】G01D21/02GK106092615SQ201610707117
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月23日
【发明人】李龙晨, 黄威, 阮海林, 陈施宇
【申请人】无锡吉兴汽车声学部件科技有限公司