汽車電子控制技術可視化教學系統的設計與應用

【摘 要】本文論述汽車電子控制技術可視化教學系統的設計與應用，提出運用LI-561ubuntu15.01型號服務器為系統程序運行提供環境，采用型號為HYVJ-KIBI152數據采集板卡采集汽車電子控制技術模擬量數據，以模擬數字轉換器對模擬量數據進行轉換，實現系統硬件設計;利用MCGS組態軟件設計系統接口程序、驅動程序，驅動數據采集板卡與模擬數據轉換器采集和處理數據，并將其儲存到數據庫，通過模擬仿真教學單元仿真模擬教學數據庫中汽車電子控制技術模擬量數據，實現可視化教學。實驗證明，設計系統的教學資源分配正確數量遠高于傳統系統。

【關鍵詞】汽車電子控制技術 可視化教學系統 硬件設計? 軟件設計

【中圖分類號】G? 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2020）39-0190-03

汽車電子控制技術是現代電子技術與汽車控制系統相結合的產物，其涉及內容比較廣泛，其中包括電控電子點火技術、電控定速導航技術、電控防抱死剎車技術、電控汽車燃油噴射技術、電子控制變速技術以及電子控制懸架技術等。作為一種科學的控制技術，汽車電子控制技術對汽車控制能力的提升具有重要作用。隨著電子技術在汽車領域的應用與發展，汽車電子控制技術也成為汽車維修人員的必學內容。但是，由于汽車電子控制技術內容廣泛、技術難度較高，汽車維修專業學生學習起來相對比較困難，雖然在教學過程中應用了教學系統，但是傳統教學系統在實際應用過程中經常出現卡頓，且對汽車電子控制技術教學資源分配精度較低，導致汽車電子控制技術教學效果較差，因此有必要設計與應用汽車電子控制技術可視化教學系統。可視化教學系統主要是憑借計算機技術的幫助完成各種教學活動，令學生更加真實地了解和掌握所學習的內容。筆者在傳統教學系統基礎上，設計出一種更適用于汽車電子控制技術教學的可視化教學系統，仿真和模擬汽車電子控制技術的所有教學內容。實驗證明，設計系統的教學資源分配正確數量較高，為教師提供一個良好的教學平臺。

一、系統硬件設計

根據可視化教學需求，在系統硬件方面設計了服務器、數據采集板卡以及模擬數字轉換器，其硬件組成如圖1所示。

除了服務器、數據采集板卡、模擬數字轉換器這3個硬件外，還有硬盤、鍵盤、鼠標等一些基本硬件，這些基本硬件不作為此次研究重點，以下將對上述提到的3個核心硬件進行詳細描述。

（一）服務器。選用LI-561ubuntu15.01型號的服務器設備為汽車電子控制技術可視化教學系統運行提供硬件環境，LI-561ubuntu15.01型號服務器的配置為雙核CPU，外設多個可擴展處理器，內存大小為6GB，硬盤32GB。表1為LI-561ubuntu15.01型號服務器的硬件環境配置。

LI-561ubuntu15.01型號服務器具備圖形處理、現場可編程邏輯門陣列兩個選項，可以適應任何系統應用程序，可以幫助汽車電子控制技術可視化教學系統運行，并利用該硬件設備以提高系統應用程序的性能。

（二）數據采集板卡。數據采集板卡主要是采集涉及汽車電子控制技術的主要設備模擬量數據。根據系統設計需求，采用上海科華公司研發的型號為HYVJ-KIBI152數據采集板卡，該數據采集板卡性能高，且數據采集速度較快，通過一個2路六位模擬量輸入模塊，采集關于汽車電子控制技術的發動機燃油噴射模擬量、汽車廢氣含氧量、發動機燃油噴射溫度模擬量、發動機進氣和出氣模擬量等模擬數據，通過ISA總線使服務器與數據采集板卡互聯，即可控制數據采集板卡運行。

（三）模擬數字轉換器。數據采集板卡采集到的模擬量數據不服務系統運行需求，因此利用模擬數據轉換器對采集的數據進行轉換。模擬數字轉換器的精準度直接影響此次設計系統的精準度和教學數據采集速度，因此根據系統的需要選擇型號為AGVD-SDNV120的32位半閃速結構模擬數字轉換器，該型號模擬數字轉換器不僅具備高速模擬數字轉換的功能，并且AGVD-SDNV120模擬數字轉換器還具有轉換保持電路。可以將汽車電子控制技術相關設備輸出模擬量數據信號的占空比經隔離轉換為統一標準12-32mA/2-22V的模擬信號，實現對數據采集板卡采集信號的隔離放大和顯示控制功能。AGVD-SDNV120模擬數字轉換器同一模塊內集成了多路高隔離DC/DC電源模擬量數據隔離控制電路等，適用于在可視化教學過程中將汽車電子控制技術相關設備產生的模擬量信號還原、隔離、變送。該型號模擬數字轉換器主要性能指標為：22V多電源供電、分辨率為32位、25MSPS最大轉換速率、100ms轉換周期、3.2個始終的轉換數據等待時間。AGVD-SDNV120模擬數字轉換器的各個引腳排列及對應功能如表2所示。

外部時鐘信號由AGVD-SDNV120的C時鐘信號輸入腳傳輸，由內部的時鐘信號發生器轉換為單路時鐘信號，用于驅動兩路采樣比較器，由編碼器生成數字信號，由高四位和低四位合并形成最終的14位傳輸數據。通過設計服務器、數據采集板卡和模擬數字轉換器，完成系統硬件設計。

二、系統軟件設計

根據系統設計需求，采用MCGS組態軟件、VB語言編制軟件模擬采集和處理汽車電子控制技術，通過設計模擬仿真教學單元，實現汽車電子控制技術可視化教學，以下詳細說明系統軟件設計。

（一）汽車電子控制技術模擬數據采集與處理。若要實現汽車電子控制技術可視化教學，首先，需要采集與處理該技術的模擬數據，在這一過程采用MCGS組態軟件來完成。在組態軟件運行中，通過設定數據采集板卡對模擬量數據采集周期調用接口，通過接口連接組態軟件與數據采集板卡驅動程序，實現數據采集板卡與組態軟件之間實時數據的交換。根據模擬數據采集要求，調用組態軟件窗口中的子窗口，將汽車電子控制技術模擬量數據輸入與輸出通道的信號建立聯系。其次，采用VB語言編制組態軟件驅動程序，采集與處理汽車電子控制技術模擬數據。最后，組態軟件將處理后的所有汽車電子控制技術模擬量數據儲存到數據庫中，用于汽車電子控制技術模擬教學。

（二）實現可視化教學。將組軟件采集到的數據進行模擬和展示，對實物模擬化展示是系統最核心的功能。根據汽車電子控制技術教學需求，在系統中增加技術模擬仿真教學單元，該仿真單元包括電控電子點火仿真、電控定速導航仿真、電控防抱死剎車仿真、電控汽車燃油噴射仿真、電子控制變速仿真以及電子控制懸架仿真等，通過調用數據庫中采集到的模擬量數據，模擬仿真教學單元即模擬仿真所需要教學的技術。模擬仿真教學過程如下：進入模擬仿真教學單元主頁，點擊所需要教學技術名稱，此時會顯示該技術組態圖，單擊圖標即可顯示技術動態畫面仿真圖，調用數據庫中模擬量數據顯示技術模擬曲線。該單元可真實地模擬展示汽車電子控制技術，滿足教學需求，實現可視化教學，進而完成系統設計。

三、實驗

為了證明該系統的可行性，采取實驗的方式驗證系統模仿使用過程，分析設計系統性能。使用BGJ仿真軟件建立設計系統與傳統系統的虛擬運行環境，并檢查系統與用戶功能要求是否符合實現假設。為保證仿真實驗結果的真實性，創建系統錯誤數據及有效數據共2000例，其中錯誤數據1000例，有效數據1000例，將兩個系統基準頻率設置為200ms，時間變量更新頻率設置為1500ms，比特率設置為5600Bit，數據位為8位，4個停止位，通信超時時間設置為12～25ms左右，汽車電子控制技術模擬量數據采集周期時間為1500ms。通過實驗判斷系統是否可以正確執行，將上述實驗數據分別引入設計系統和傳統系統當中，將設計系統設為實驗組，將傳統系統設為對照組，其實驗結果如表3所示。

從表3可以看出，此次設計的系統在實際應用中對教學組員分配正確數量遠高于傳統方法，在1000模擬量數據的情況下教學資源分配正確數量為496，而對照組教學資源分配正確數量僅為426，此外還可發現在模擬量數據為200、400、600、800時，本文技術相較于對照組技術而言，教學資源分配正確數量更多。因此，可證明此次設計的系統相對于傳統系統而言，汽車電子控制技術教學資源分配精度較高，更適用于汽車電子控制技術可視化教學需求，從而實現本文系統設計的目的。

為了進一步說明汽車電子控制技術可視化教學系統的優越性，對兩種系統進行效率對比，結果如圖2所示。

根據圖2的數據可以看出，在模擬量數據為200、400、600、800、1000時，本文系統的效率都要遠遠高于傳統系統，最高時本文系統的效率為98%，而傳統系統最高時的效率僅為86%，有效證明了本文系統的優越性。

本文設計的汽車電子控制技術可視化教學系統，為汽車電子控制技術教學提供了良好的教學手段，有助于提高汽車電子控制技術教學水平和教學質量，讓學生更加全面地掌握現代汽車電子控制技術，對培養新型汽車高級應用型人才具有重要作用。但是，系統尚未經過大量的實際應用，在功能上還不夠完善，還需進一步對教學系統進行研究，以滿足現代汽車人才培養的教學需求。

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【基金項目】2020年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“基于移動終端的課堂教學動態評價系統研究”（2020KY45011）

【作者簡介】覃慶環（1979— ），女，廣西大化人，廣西現代職業技術學院講師，研究方向：汽車電子教學研究。

（責編 盧 雯）