汽车虚拟仪表实验系统设计

第28卷第4期增刊2007年4月仪器仪表学报Chinese Journal of Scientific InstrumentVol128No14Apr12007汽车虚拟仪表实验系统设计郑永军,杨春园,王书茂,王荣杰(中国农业大学工学院　北京　100083)摘　要:汽车仪表盘反映汽车各种运行参数和状态参数,基于虚拟仪器的汽车仪表盘实验台在教学和科研中具有重要意义。

本文建立了汽车运行参数模型,利用虚拟仪器技术,在LabWindows/CV I开发平台上实现了汽车运行状态参数(流量、转速等)的数据采集和分析,所开发的汽车虚拟仪表盘可显示其发动机转速、汽车车速、加(减)速度、瞬时油耗/百公里油耗、超速报警和故障报警等内容。

关键词:计算机测控;汽车仪表板;虚拟仪器;CV IDesign of automobile virtual fascia experiment systemZheng Y ongjun,Yang Chunyuan,Wang Shumao,Wang Rongjie(College of Engineering,China A g riculture Universit y,B ei j ing100083,China)Abstract:The fascias of automobiles can reflect several of running parameters.In t his article,we built up a model of t he auto original parameters,and carried o ut t he collection and analysis of analog signals,which were related to t he vehicle’s parameters like oil consumption and rotation rate.All t hese information,e.g.en2 gine rotation speed,speed,acceleration,oil consumption,and speeding,were shown at t he virt ual front2pan2 el.The system was based on grap hical interfaces language Labwindows/CV I,which was t he production of N I company.K ey w ords:comp uter measurement and cont rol;automobile fascia;virt ual inst rument;CV I1　引 言利用虚拟仪器技术模拟汽车仪表盘,设计综合数据采集、信号分析、仪器面板等多项内容的虚拟汽车仪表盘实验台。

实验台自身产生转速、耗油、故障等模拟和数字信号源,然后再进行模拟和数字信号的采集和分析,通过建立转换函数模型在虚拟仪表盘上显示发动机转速、汽车车速、加(减)速、油耗、超速及故障报警等信息。

利用虚拟仪器技术模拟汽车仪表盘[122],不仅可以完成先进汽车仪表盘的功能,而且免去汽车机械及电子器件,降低成本,提高可研性,在计算机测控技术、汽车电子技术等课程的教学及开放实验中具有广泛的实用价值[3]。

2　功能分析与模块设计考虑设计成本和实验条件,通过分析汽车运行中的转速、燃料流量等模型,由计算机模拟产生源信号,经D/A转换输出模拟信号。

该信号经模拟输入端口A/D转换读入计算机,分析处理后在虚拟汽车仪表面板上显示转速、速度、显示百公里油耗(L/100km)、超速报警、加速或减速指示等信息,同时将部分参数通过数字输出至显示电路,用4位L ED动态显示。

如果超速,则输出开关量,驱动发光二极管报警灯[4]。

系统结合PCI26011数据采集卡,采用LabWin2 dows/CV I虚拟仪器开发实现所有功能。

具体功能分析如下:(1)模拟工况的生成:实际汽车的转速、油耗及故障等源信号是通过传感器测量得到的模拟量,分析相316　仪　器　仪　表　学　报第28卷关汽车工况,预先建立转速和燃油流量信号的函数模型,采用软件模拟汽车转速、流量参数。

以上参数在虚拟仪表盘上显示,并通过D/A 转换输出。

(2)信号采集与处理:将2个输出的模拟参数用不同通道采集经过A /D 转换进入计算机,作为实验采集到的源参量,计算得到汽车仪表盘上显示的相关参数。

(3)仪表盘输出:将计算后的转速、速度、百公里油耗、超速报警等参数通过虚拟仪表盘输出,并将速度、报警等信息输出至显示电路,由L ED 显示。

整个系统的流程如图1所示。

图1　参数的处理流程图 根据流程分析,系统分划分为信号模拟与输出模块、虚拟仪表盘2大模块。

信号模拟与输出模块中包含信号的模拟、信号的转换输出;虚拟仪表盘中包含信号输入、数据转换处理、数据输出3个子模块;各模块的结构如图2所示。

图2　汽车虚拟仪表台功能模块信号模拟与输出模块:依据转速和流量的函数模型,模拟生成汽车转速、流量参数在虚拟仪表盘上显示,并通过数模转换输出。

虚拟仪表盘模块主要是模拟汽车仪表盘的功能,反映汽车运行参数。

其各子模块的功能如下:(1)信号输入模块:通过数据采集卡的模拟输入端口实时采集汽车模拟参数值;(2)数据转换处理模块:实现采集量的A/D 转换和量程处理,计算转速、速度、百公里油耗(L/100km ),判断加减速、超速、档位信息;(3)数据输出模块:虚拟仪表板上显示转换处理得到的信息。

采用模拟转速表、度表显示转速和速度,并显示加减速、油耗、超速报警等信息;将速度转换为L ED 对应二进制形码输出至4位L ED 动态显示,报警信号用I/O 量输出至扩展电路,驱动发光二极管。

3　源参数模型设计(1)通常行驶状态下的转速模拟:本设计中模拟的转速函数及其对应的速度函数如图3所示,采集进来的数据可以直接作为转速值r 显示在面板上,由于模拟的汽车转速信号与速度成正比,则速度为:v =π×D ×r ×60/1000式中:D 为车轮直径;v 为汽车转速(单位:km/h );加速度为:a =(v 2-v 1)/t其中,v 2、v 1为相临时刻的速度值;考虑模拟量转换速度,故采用较低采样频率,周期t =1s 。

超速报警限取为90km ,当v >90时报警。

(2)换档采集的输出和上述原理相同,考虑实际情　第4期增刊郑永军等:汽车虚拟仪表实验系统设计317图3　模拟的转速函数和速度函数图况,一般汽车设计发动机转速在2000～3000rpm 为最佳工作状态,当转速达到3000以上,应当换档。

因此,汽车加速过程中需要不断地换档。

由于传动比关系,转速表与速度表显示关系为分段函数,如图4所示。

速度与加速度之间的公式依然如式(1)、式(2)所示。

本模型模拟具有5个挡位的汽车情况。

图4　换档加速模拟的转速和速度曲线(3)平均燃料消耗量(L/100km ):由数据采集卡D/A 转换模拟输出燃油消耗,此信号意义为油箱里的油减少速度设为L (l/s ),经过A/D 采集后得到此信号的数字量显示在面板的显示油耗的控件上,采集一段时间停止后,将采集的数据进行汇总得到这一段时间所有采集到的L 的累加值sum ,并得到平均速度v ver ,则百公里油耗P 为:P =sum ×100/v ver燃油流量产生实际是在1000至6000转取7个点的油流量,假设油耗在转速段内成正比关系,建立分段函数(见图5),通过实时转速信号差值计算出该时刻的油流量。

图5　油流量信号函数由于模拟燃油消耗关系为分段线性,可以用插值算法的计算瞬间油量:将分段速点赋给一个向量a ,将对应的油流量值赋给另一个向量组b ,即:a ={1000,1500,2500,3500,4500,5500,6500}b ={2.8,3.1,2.5,3.2,3.6,3.5,3.9}设任意时刻油流量为l ,转速为r,i 为向量组元素的脚标号,当a (i )<r <a (i +1)时,l =b (i )≠[b (i +1)-b (i )]×[r -a (i )]/1000以上参数模型适当修改参数即可模拟各种车型,具有通用性。

4　虚拟仪器系统设计4.1　硬件电路设计数据采集卡的模拟输出通道和输入通道对应连接。

设计数字输出的通用扩展电路板作为数字输出电路。

速度信号输出至L ED 电路连接如图6所示。

L ED 采用共阴极数码管L G 5641A H 4位数码管进行动态显示,每位段选a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 分别接在一起,各拥有一个共阴的位选端,这有利于节省I/O 口。

系统显示时间的精度为1s ,显示路程的精度为0.01m 。

用数据采集卡的16位数字输出端口传输显示的数据和位选信号。

图6　硬件电路的接线图4.2　虚拟仪器软件设计信号源模拟与输出由3部分组成:(1)汽车加速、减速、匀速状况综合模拟;(2)汽车换档加速状况模拟;(3)汽车油流量模拟。

这3部分的函数是对定时器编程,并根据数据采集卡转换分辨率将模拟函数结果转换为标准值输出。

转换函数为:输出值=函数值×(2的模数转换分辨率位数次方)/产生的函数值最大值。

模拟采集由定时器设定采样频率,实现不同通道318　仪　器　仪　表　学　报第28卷转速和油流量信号采集,对采样数据进行与输出相反的变换。

扩展电路输出控制将速度值转化为4位7段数码管对应位字形码,循环输出到数字电路。

系统界面(见图7)还提供采集设备选择、模拟量的输入输出通道选择、输出定时器和采集定时器周期设置等功能。

实验过程中可改变模拟输出的类型。

图7　系统工作界面编程通过调用DLL 库函数实现数据采集卡的输入输出功能,数据转换、状态判断、参数计算及面板各控件的功能由自编的回调函数实现。

5　结 论本文利用虚拟仪器技术,在LabWindows/CVI 开发平台上实现了汽车运行状态参数的模拟(燃油流量、转速等)及数据采集处理,所开发的汽车虚拟仪表盘可显示其发动机转速、汽车车速、加(减)速度、瞬时油耗/百公里油耗、超速报警和故障报警等内容。

系统构建具有开放性,用户可根据需求在增加其他参数的检测与控制,适合用于开放实验研究,学生和科研人员均可在此基础上进行创新设计。

参考文献[1]　黄妙华,徐保松,李秀芬.虚拟数字式汽车仪表信息系统的研究与开发[J ].汽车科技,2006,9(5):15218.[2]　王金刚,董正身,赵永立,等.便携式车辆振动测试分析系统的应用研究[J ].仪器仪表学报,2003,24(22):1672170.[3]　王海宝,吴光杰.基于车载微机系统的虚拟式汽车仪表研究[J ].中国仪器仪表,2006(8):40242.[4]　朱敏,张际平,潘侃凯.虚拟仪器技术及其教学应用[J ].中国电化教育,2006,4:96298.[5]　刘君华.虚拟仪器编程语言LabWindows/CV I 教程[M ].北京:电子工业出版社,2001.[6]　张易知,肖啸.虚拟仪器的设计与实现[M ].西安:西安电子科技大学出版社,2002.[7]　张海藩.软件工程导论[M ].北京:清华大学出版社,1999.(上接第299页)图2　TAP 控制器仿真波形该控制器的逻辑功能完全正确,综合后的仿真表明,该设计是正确可行的。