关于汽车仪表盘设计的虚拟仪器报告

1 绪论
1.1 汽车仪表的概述
汽车仪表系统是车载综合信息系统的重要组成部分,也是其要实现的最基本的功能。

众所周知,仪表板是驾驶员与车辆进行信息交流的重要接口和界面,也是汽车高尖技术的主要部分,它为驾驶员提供其所需的信息。

随着汽车工业的发展,现代汽车的各种机构日趋复杂,附属装置也日益增多,为了使驾驶员更多更迅速地掌握各种机构和装置的状态,以便更有效地控制汽车,使其正常地工作,汽车仪表板作为现代汽车的信息中枢显得越来越重要,并伴随着汽车电子技术的发展而快速发展。

汽车仪表的发展趋势,从一个侧面反映出汽车电子化水平的快速提高。

1.2 汽车仪表的发展历程
为了充分了解汽车仪表发展现状,难确地把握其未来发展趋势,有必要对其发展过程作一简单回顾"按汽车仪表在工作原理上取得的重大技术创新来分,可以划分为4个阶段,或称为经过4代。

第1代汽车仪表是基于机械作用力而工作的机械式仪表,人们习惯称这类仪表为机械机心表;
第2代汽车仪表的工作原理基于电测原理,即通过各类传感器将被测的非电量变换成电信号加以测量,通常称这类仪表为电气式仪表;
第3代为模拟电路电子式汽车仪表;
第4代为步进电动机式全数字汽车仪表；
继全数字汽车仪表后,随着信息技术和计算机技术的不断发展,以及降低汽车仪表制造成本的要求,汽车仪表逐渐向网络化!智能化和虚拟化方向发展。

2 研究的背景以及主要内容
2.1 研究的背景
汽车走过了100多年的发展历程,汽车仪表也在不断开发和发展之中，汽车仪表正在经历由第3代向第4代转型时期，第3代汽车用仪表工作原理与电气式仪表基木相同,只不过是用电子器件取代原来的电气器件。

各国一直在努力开发汽车仪表技术,并不断取得新的发展，目前国内汽车仪表行业在整体上仍滞后于整车的发展,散、乱、差、的状况尚未改变,与国外相比有很大的差距,表现在产品技术水平低,造型单调,产品质量可靠性和耐久性差,制造工艺落后,产品检测不完善,数字化程度
低等方面。

我国的汽车仪表与国外发达国家相比,技术水平有相当大的差距，例如,当今国外发.达国家普遍使用全数字式汽车仪表,而且绝大部分是步进电动机式汽车仪表,并且正积极准备向更高方向发展而国内真正民族汽车仪表厂,还没有批量生产出该类型的仪表,只有德国VDO公司和美国德科公司在我国设厂生产。

虽然国内汽车仪表界一致看好全数字式汽车仪表，但我国民族汽车仪表生产厂家从事汽车仪表设计的工程技术人员,绝大部分还不具备这方面的知识能力,自主开发还不具备技术条件。

目前国内车辆仪表数字化水平还不高,绝大部分仪表还是模拟式的,而大多数模拟仪表表头的体积较大、数量多,使得显示系统拥挤不堪,影响美观;另外一些模拟仪表故障率高,增加了用户的经济负担,减小了车辆行使的安全系数。

而随着电子技术的广泛应用,传统汽车仪表逐渐被微处理器为核心的电子控制数字仪表取代已成为必然趋势。

汽车仪表产品的更新换代势在必行,进行技术创新,寻求和确定我国汽车仪表产品的发展方向,研制开发新一代汽车仪表产品,有利于迅速提高我国汽车仪表产品的技术设计能力和生产制造水平，汽车将会越来越多地采用各种用途的电子化仪表,造型新颖别致和功能强大的电子化仪表将是今后车用仪表的发展趋势和潮流。

鉴于我国汽车仪表的这种现状,而车辆仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面,是车辆安全行驶的重要保证，人们提出了虚拟仪表的方案。

2.2 研究的主要内容
汽车仪表的发展趋势传统仪表一般是机电式模拟仪表,只能为驾驶员提供汽车运行中必要而又少量的数据信沙息,已远远不能满足现代汽车新技术、高速度的要求。

汽车仪表的功能已不仅仅是单纯的指示,而是通过对汽车各部件参数的监测和微处理机配套,从而达到控制汽车各种运行工况的目的。

系统的设计要求是：
1.车载综合信息显示系统必须完成车况的数字显示和监测;车况的数字显示和监测是对车辆所有重要部件的性能和工作状态的显示和监测,以保证驾驶员能够及时了解车辆工作状况,迅速对各种异常情况做出对应措施而且车辆运行状态的监测是保障车辆正常工作和进行故障。

2.诊断和设备维修的基础
充分考虑系统功能的可扩展性，根据系统的设计要求,本系统的硬件和软件均采用模块化、标准化、系列化的设计方法,并充分考虑系统的扩展能力。

3 虚拟仪器
3.1仪器技术的演化与发展历程
电子测量仪器发展至今,大体可分为4代:模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。

第1代一模拟仪器,这类仪器至今在某些场合被广泛使用着。

如指针一式万用表、晶体管电压表及模拟示波器等,均是典型的模拟式仪器仪表。

这类仪表的基本结构是电磁机械式的,利用电磁测量原理,借助指针的移动或电子束的偏移来显示最终结果。

它们的特点是结构简单,成本较低,易于维护,适用于对精度要求不高的场合。

第2代一数字化仪器,这类仪器目前相当普及,如数字电压表、数字频率计等，这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量,并以数字方式输出最终结果,适用于快速响应和较高准确度的测量。

第3代一智能仪器,这类仪器内置微处理器,既能进行自动测试又具有一定的数据处理能力,可取代部分的脑力劳动,习惯上称为智能仪器。

智能仪器以微电子器件代替常规电子线路,具有信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能,甚至具有辅助专家进行推断分析与决策的能力，它的功能块全部都是以硬件(或固化的软件)的形式存在,无论是开发还是应用,都缺乏灵活性。

第4代一虚拟仪器,这类仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术实现和扩展传统仪器的功能，它利用现有的计算机,配上相应的硬件(如数据采集卡、输入/输出卡、GP工B卡等)和专用软件,形成既有普通仪器的基本功能,又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。

虚拟仪器是现代计算机!通信技术和测量技术相结合的产物,它从根本上更新了仪器的概念,具有传统仪器无法比拟的优势，它的出现是仪器发展史上的一场革命,代表着仪器发展的最新方向和潮流,是信息技术的一个重要领域。

3.2 虚拟仪器的概述
虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司最先提出的。

所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等，可集成于自动控制、工业控制系统之中，可自由构建成专有仪器系统。

虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。

虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”。

该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。

虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件和测量仪器等硬件资源与计算机软件资源有机的结合起来。

3.2.1 虚拟仪器的特点及优势
虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心，如图2.1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。

这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。

虚拟仪器中应用程序将可选硬件和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。

由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。

这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源。

图3-1 虚拟仪器开发框图
虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。

虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。

它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据，它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户经简单培训即可迅速掌握操作规程。

虚拟仪器是基于计算机的仪器。

计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。

这种结合基本有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是智能化仪器。

随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。

另一种方式是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式。

虚拟仪器的组成与传统仪器一样，主要由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。

如图2.2所示。

采集与控制
插入式数据采集板
GPIB
仪器
VXI/PXI
仪器RS-232仪器
数据分析和处理
数字信号处理
数字滤波
统计分析
数值分析
结果显示
网络通信
硬盘拷贝输出
文件I/O
图形用户接口图3-2 虚拟仪器的内部功能的划分
对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成。

对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成，后两部分主要由软件实现。

与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，使设计工作量大大减小。

通常虚拟仪器测试系统硬件组成部分是由传感器部件、信号调理及信号采集部件、通用计算机、打印机等构成。

系统软件部分通常用专用的虚拟仪器开发语言编写而成，并可通过Internet实现网络扩展。

3.2.2虚拟仪器硬件的构成
虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。

计算机硬件平台可以是各种功能的计算机,如普通台式计算机、便携式计算
机、工作站、嵌入式计算机等，计算机管理着虚拟仪器的硬件资源,是虚拟仪器的硬件基础。

按照测控功能的不同,Vl可分为GPIB、vXI、PXI、DAQ和串口总线五种标准体系结构。

3.2.3虚拟仪器软件的构成
在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件,特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的解析,使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中“消失”,而由计算机的软硬件资源来完成它们的功。

虚拟仪器测试系统的软件主要分为:仪器面板控制软件、数据分析处理软件、仪器驱动软件和通用工/0接口软件。

图3-3虚拟仪器的软件构成框图
4汽车仪表盘设计原则及功能分析
4.1 汽车仪表盘设计原则
现代汽车对行驶状况信息的显示要求越来越高,不但要求提供信息量大,显示直观、清晰、稳定,而且要求显示速度快,显示精度高。

本课程设计提出的车载综合信息显示系统是为电动概念车而设计的,针对课题要求以及国内汽车工业现状、技术水平和它们的发展趋势,提出了汽车仪表盘系统的设计原则如下:
1.简洁和直观方便
作为驾驶员一车辆进行信息交流的界面即车载综合信息显示系统显示的信息量大,种类复杂,而现代汽车对驾驶员的要求越来越高,驾驶员不可能分很大的精力去阅读一个复杂的界面"为了使驾驶员能够在不需要分神的情况下很方便地得到相关信息,车载综合信息显示系统的界面必须是简洁和直观方便的。

2.显示信息响应速度快能及时准确地为驾驶员提供信息车载综合信息显示系统的响应速度如果不快,那么对于在高速行驶中的汽车,驾驶员获取到信息就不能保证其有效地控制汽车正常、安全地工作。

3.必须具有高的可靠性
我国的交通现状是路况十分复杂,交通拥挤堵塞,而汽车的速度越来越高"因
此为了避免交通事故,车载综合信息显示系统给驾驶员提供的信息必须可靠性很高。

否则,驾驶员若收到一个不可靠的信息,很可能发生交通事故。

这不仅会导致财产上的损失,而且可能导致生命危险。

4.能为驾驶员提供丰富的信息汽车结构的复杂,功能的增多,驾驶员从车载信息显示系统所需获取的信息量越来越大"驾驶员不仅需要从车载信息显示系统这个信息中枢及时准确地了解汽车行驶工况,如车速!里程!水温等项目;而且,从经济性考虑,驾驶员也需知道汽车平均每小时耗油量等"通过这些信息,驾驶员可以更加有效地控制汽车正常工作"在有需要的时候,驾驶员还可以使用GPS导航等功能,使汽车成为一个集娱乐!移动办公于一体的系统。

5.满足舒适性要求
车载综合信息显示系统是驾驶员获取各种信息的地方,因此车载综合信息显示系统不仅要求操作方便,而且要求观看舒服,界面美观。

6.系统的发展空间必须大
随着汽车电子技术的快速发展,人们对汽车高性能的要求,未来车载综合信息显示系统就不仅仅局限于常规信息和监视报警等信息的显示,它还要显示其它扩展的信息功能。

7.应具有良好的经济性
车用仪表等显示系统的推广,一个最根本的问题就是成本,因此我们设计的系统要尽可能的体现经济性。

4.2 汽车仪表盘功能分析
汽车仪表是用以监测汽车各系统工作状况的装置，如当前车速、里程显示、油量消耗、油耗警告等。

驾驶员能通过汽车仪表随时掌握汽车各部件的工作状态，为正确使用和维修发动机提供依据和指南。

汽车仪表盘主要有以下几大功能：
1.车速表
显示汽车行驶中的速度公里/小时(表面上标km/h)，指针指到不同的刻度线表示不同的速度，车速表下面有超速报警灯，如果灯亮了，表示汽车正在超速行驶,以提醒驾驶员注意。

2.里程表
用来记录汽车累计行驶的里程数,最小一记录单位为百米,指示有7位数,最高记录里程为999999.9公里(或英里),常分为总里程和单里程"总里程用来记录汽车累计行驶里程,单里程用来记录汽车一单程行驶里程,单里程可以随时复位至零晰。

3.转速表
用来指示发动机工作时的运转速度"转速的指示值乘以1000则为发动机工作时每分钟的转数。

4.油量表
用来指示油箱内的存油量，其单位是升(L)，表上的刻度线表示存油量，不同的刻度线表示不同的存油量。

油量表下面有油量报警灯，如果油量少于10L 时，报警灯就会亮，提示司机要及时加油。

5.温度表
汽车冷却系统的功能是使发动机在所有工况下都保持在适当的温度范围内。

冷却系统既要防止发动机过热，也要防止冬季发动机过冷，温度表的作用就是为驾驶员及时的提供冷却液温度指标，反映发动机的工况信息。

6.左右转向灯
它有前、后转向信号灯之分，一般位于车辆的四角。

汽车转弯时，发出明暗交替的闪光信号，以表示汽车向左或向右转向行驶。

7.远近光灯
它有远近光灯之分，一般夜晚行车用，在法定范围内能够极大提高车前亮度和照射距离，确保驾驶安全。

8.时间
用来显示当前的日期和时间。

4.3虚拟仪表系统的实现步骤
在汽车智能数字仪表的开发过程中，数字仪表所需要采集的信息量比较多，各种车型的信息参数又差别较大，这些问题的存在给仪表的实车测试和参数标定带来了困难。

为了在开发过程中能够快速有效的测试系统的各项功能，提高系统开发效率，我们设计利用单片机采集产生汽车上的各种参数信息，快速的对设计仪表进行全面的测试，节约时间和成本，将计算后的转速、速度、油耗、温度、
里程等参数通过虚拟仪表盘输出。

5汽车仪表盘系统软件实现方法
5.1 LabVIEW软件简介
自从1986年美国NI(National Instrument)公司提出虚拟仪器的概念以来，随着计算机技术和测量技术的发展，虚拟仪器技术也得到很快的发展。

虚拟仪器是指：利用现有的PC机。

加上特殊设计的仪器硬件和专用软件。

形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器。

与传统的仪器相比其特点主要有：具有更好的测量精度和可重复性：测量速度快；系统组建时间短；由用户定义仪器功能；可扩展性强；技术更新快等。

虚拟仪器以软件为核心，其软件又以美国NI公司的Labview虚拟仪器软件开发平台最为常用。

Labview是一种图形化的编程语言，主要用来开发数据采集，仪器控制及数据处理分析等软件，功能强大。

目前，该开发软件在国际测试、测控行业比较流行，在国内的测控领域也得到广泛应用。

5.2 界面模块及各功能模块程序
5.2.1 界面模块
通过该界面实现转速表、车速表、温度表、油量表、里程、转向灯、远近光灯以及各种报警信号等信息显示。

图5-1汽车仪表盘前面板
图5-2运行中
图5-3运行中
图5-4汽车仪表盘完整的程序框图
5.2.2 功能测试模块
（1）发动机转速表模块
发动机转速表测试模块类似于车速表测试模块，区别在于它的特征参数不同。

根据特定车型的情况，根据实际采集到的数据将转速表指示范围设定在0～8000r/min，并设置当速度超过6000r/min时发出转速过高报警。

发动机转速表前面板设计如图5-5所示，发动机转速表部分程序框图如图5-6所示。

图5-5发动机转速表前面板
图5-6转速表程序框图
（2）车速表模块
车速表的测试需要预先了解设定目标车型的特征参数，如车辆特征系数、车速传感器的传感系数等，按照测试要求产生脉冲信号。

信号的幅值、频率可以通过手动／自动进行调整，车速信号具备超速报警提示功能，根据设定的超速门限值，高于该门限值时，通过主界面前面板上的超速报警灯闪烁来提示。

根据实际采集到的数据，将车速表指示范围设定为0～240km/h，并设置当速度超过150km/h时发出超速报警。

车速表前面板设计如图5-7所示，车速表程序框图如图5-8所示。

图5-7车速表前面板
图5-8车速表程序框图
（3）油量表的模块
油量表的测试需要预先设定目标车型的油量测试范围以及燃油门限报警值，然后按照测试要求开始测试。

根据设定的燃油门限值，低于该门限值时，通过主界面前面板上的油量报警灯闪烁提示。

根据实际情况将油量表表指示范围设定在0～50，表示不同的油位，并设置当油位低于10L是发出油量不足报警。

油量表前面板如图5-9所示，油量表程序框图如图5-10所示。

图5-9燃油表前面板
图5-10油量表部分程序框图
（4）温度表的模块
根据实际车型行驶过程中的温度变化采集需要的数据，通过单片机模拟该数据发送到测试仪表。

将温度表指示范围设定在50～200℃，并设置当温度超过150℃或小于50℃时发出温度异常报警。

温度表前面板设计如图5-11所示，温度表程序框图如图5-12所示。

图5-11温度表前面板
图5-12温度表程序框图
（5）远近光灯显示模块
远近光灯前面板设计如图5-13所示，远近光灯程序图如图5-14所示。

图5-13远近光灯前面板
图5-14远近光灯程序图
（6）左右转向灯模块
左右转向灯前面板设计如图5-14所示，左右转向灯部分程序图如图5-15所示。

图5-15左右转向灯前面板
图5-16左右转向灯部分程序图
（7）让左右转向灯等闪烁的控制
用奇数偶数来控制，当为基数时亮，为偶数时灭，因此在while循环中，添加一个移位寄存器，每次加1做循环，然后每次除以2取余，当余数等于0时灯灭，不等于0时灯亮。

图5-17左右转向灯程序图（带等闪烁）
（8）里程模块
总里程表是记录汽车累计行驶里程数的装置，最小单位为米。

图5-18里程表程序图
（9）时间显示模块
时间显示模块用来显示当前时间，方便驾驶员读取。

直接采集PC机的系统时间并显示。

时间显示程序部分程序框图如图5-19所示。

5-19时间显示程序部分程序框（10）档位模块
采用枚举控件来设计档位
5-20档位显示程序框
6设计心得
课程设计是检测我们大学学习成果的综合性测试，它不仅要求我们有扎实的专业理论知识和实践操作能力，更要求我们有严谨治学、团结协作的精神。

但由于我们的基础理论知识不够扎实，对新技术的了解也很少，所以我们在设计过程中遇到了许多问题和困难，但在老师的悉心指导帮助下，我们终于顺利地完成了本次课题的设计。

通过这次的设计，我进一步加深了对专业知识的理解。

设计前夕，对于这次课程设计的设计要求有点没头绪，对于要设计的汽车仪表盘的具体设计步骤还不是很清晰。

在老师给出了设计任务书以及实物图片后，我才逐渐有了方向。

查阅了大量的资料，对照着实物图片与具体输入输出的结果相结合，最后确定了此次课程设计的大体思路。

接下来就进入了设计环节，运用虚拟仪器这门课程中所学到的知识再加上课外书、上网查资料等方式我终于将汽车仪表盘在labview中设计了出来，然而在程序最终的调试中却出现了一些问题，这时候团队的力量就体现出来了，同学们的帮助，老师的悉心指导，使我很快就克服了困难，完成了此次设计，达到了老师的设计要求。

一股成就感不禁油然而生！
通过本次设计，我深刻地认识到了虚拟仪器技术是当代仪器发展的重要发展方向。

虚拟仪器也以崭新的模式和强大的功能深入人心，伴随计算机技术和信息技术的发展虚拟仪器必将拓展到各个领域，引起仪器的深层次变革。