“汽車轉向與危險警報燈電路”虛擬仿真實訓系統設計

武照云 河南工業大學機電工程學院

李麗 河南職業技術學院汽車工程學院

● 引言

隨著汽車上電器與電控設備的增多，電路故障在汽車整車故障中所占的比例越來越高。汽車電路實訓的目的是加深學生對汽車相關電路的理解，使學生能運用所學知識對故障發生的原因進行分析，并且會使用萬用表、示波器等儀器對電路進行故障檢測。由于汽車電路通常比較復雜，所以相配套的課程實訓設備往往費用比較昂貴，而且日常維護成本較高，長時間使用后還會出現設備老化等問題，這些都給高校的汽車電路實訓課程教學造成了很多困難和問題。

運用虛擬仿真技術輔助完成高校的實驗與實訓課程，是近年來我國高校教育信息化領域的一個熱點方向。虛擬仿真實訓系統可以構造出一個虛擬的實訓環境或設備，學生通過計算機或手機等終端即可進行虛擬仿真實訓，該方式能夠有效降低課程教學對高昂實訓設備的依賴，并且實施方式自由靈活，可以極大地調動學生的學習積極性，有效解決傳統分組實訓模式下個別學生吃“大鍋飯”的弊端。

基于此，本文以一種常見的汽車電路——汽車轉向與危險警報燈電路為研究對象，研究汽車電路故障診斷的虛擬仿真實訓教學方法。

● 汽車轉向與危險警報燈電路實訓教學

汽車轉向燈與危險警報燈是汽車中使用頻率最高的燈光之一，如在汽車起步、轉彎或變換車道時，需要打開轉向燈以表示汽車的行駛趨向，提醒周圍車輛和行人注意；當接通危險警報開關時，所有轉向燈同時閃爍，表示車輛遇到緊急情況，提醒其他車輛避讓。因此，轉向與危險警報燈能否正常工作對汽車行駛的安全性具有重要影響。

汽車轉向與危險警報燈電路通常由閃光繼電器、轉向開關、危險警報燈開關、轉向燈和轉向指示燈等組成，如下頁圖1所示。該電路的常見故障現象主要包括轉向燈不亮、危險警報燈不亮、轉向燈與危險警報燈都不亮、左轉向燈不亮、右轉向燈不亮等。造成這些故障的可能原因有：線路接觸不良、插接器松動、熔斷器斷路、間歇繼電器損壞、危險警報燈開關損壞等。

圖1

在汽車電路故障診斷實訓教學中，要求學生能夠針對汽車電路表現出的故障現象，制訂合理的故障檢測方案，并運用所學的專業知識對檢測結果進行分析，進而找到故障原因。在傳統的實訓教學模式下，為了讓學生得到有針對性的訓練，通常在汽車電路實訓臺上設置若干檢測點（如圖1中的①～⑨所示），然后學生將點火開關、危險警報燈開關和轉向燈開關分別置于不同的檔位（如表1所示），再使用萬用表依次測量各個點位間的電壓，根據測得的一系列電壓值，就可以逐步判定故障發生的位置和故障部件，進而完成對汽車轉向與危險警報燈電路的故障診斷。

表1 汽車轉向與危險警報燈電路開關及檔位

● 虛擬仿真實訓系統總體設計

1.系統功能需求分析

根據汽車電路故障診斷實訓的實際教學要求，汽車轉向與危險警報燈電路虛擬仿真實訓系統應該具備如下功能：①系統具有教師端界面和學生端界面，教師可以在系統后臺對實訓課程進行管理，學生可以在終端完成課程實訓；②教師可以在系統后臺進行實訓講解與演示、設置電路故障類型（單一故障或復合故障）、發布實訓題目、查看學生實訓結果、成績統計分析、學生故障診斷能力評估等；③學生可以在系統終端查看教師布置的實訓題目、切換開關狀態、選擇電壓表檢測端子、虛擬測量電壓、階段性故障排除、提交故障診斷結果、查看實訓成績等。

2.系統總體架構設計

汽車轉向與危險警報燈電路虛擬仿真實訓系統總體上采用“服務器—客戶端”架構模式進行設計，如圖2所示。

圖2

①服務器端。采用SQL Server搭建數據庫管理系統，對系統基礎數據進行存儲與處理。基于IIS平臺搭建Web服務器，并對數據庫存取引擎、Web頁面、基于MVC的服務器端接口程序、業務邏輯處理程序等進行部署。②教師客戶端。為了使教師更加方便地完成實訓教學管理工作，以Web應用程序的方式，運用ASP.NET（C#）來構建教師客戶端。這樣，教師在PC端的瀏覽器上就可以進入系統并完成各種相關操作，簡單方便，可視性好。③學生客戶端。為了更加方便地組織并實施虛擬仿真實訓教學活動，采用Html5+LayUI技術框架開發面向學生的手機端WebAPP，這樣學生在手機上就可以輕松進行實訓練習，極大地提高了學生實訓的便捷性。

● 虛擬仿真實訓系統開發與實現

1.服務器端開發

（1）系統數據庫設計

數據庫設計是虛擬仿真實訓系統開發過程中的一個基礎性問題。根據系統的總體功能與要求，在SQL Server中設計了相關的數據表，用于對基礎數據進行存儲與處理，如下頁表2所示。

表2 系統數據

（2）面向WebAPP的數據接口設計

根據系統功能的設計，學生需要通過手機端進行虛擬仿真實訓，因此，在服務器上必須提供面向WebAPP的數據接口，以實現手機端與遠程數據庫之間的交互。

微軟ASP.NET MVC架構模式中的Controller控制器可以輕松實現遠程連接、數據請求、邏輯處理等功能，因此，筆者采用MVC中的Controller技術開發服務器端的數據接口，部分接口如表3所示。

表3 服務器端后臺數據接口（部分）

其中，GetRecords方法的代碼如圖3所示。

圖3

2.教師客戶端開發

基于ASP.NET（C#）平臺，按照三層架構原則對教師端應用程序進行設計與開發，實現了基于B/S訪問模式的后臺系統管理功能。①數據訪問層：以SQLHelper為基類，對DAL類庫進行構建并封裝，實現對SQL Server數據庫的直接操作。②業務邏輯層：將系統的主要業務處理邏輯進行代碼剝離，形成BLL類庫，增強系統架構的靈活性。③用戶界面層：按照“Top-Left-Main”框架，對系統界面進行分區設計；在信息顯示類頁面中，大多采用GridView控件對數據源進行綁定；通過JavaScript與Image控件的融合應用，達到汽車電路故障診斷演示操作中的動態效果；通過圖表形式，直觀展現學生實訓成績的統計情況。部分系統界面如圖4、圖5所示。

圖4

圖5

3.學生客戶端開發

（1）開發概述

筆者采用Html5+Layui技術框架開發學生手機端WebAPP。運用Html5開發的WebAPP具有跨平臺特點，能夠兼容Android和IOS操作系統，適配性較好，在手機端程序開發中逐漸獲得廣泛應用。Layui是開源的模塊化前端UI框架，遵循原生Html/CSS/JS的開發方式，為用戶提供了簡單易用、快速高效的Web UI組件庫。學生手機端WebAPP部分界面如圖6所示。

圖6

（2）汽車電路虛擬仿真實訓模塊設計

為了使汽車電路虛擬仿真實訓效果達到最佳，在WebAPP界面的人機交互技術上進行了如下設計：

①點火開關的狀態控制。用image標簽顯示開關圖片，并設置相應的onclick事件處理函數，當學生點擊該開關時，根據存儲的狀態變量值來更換image的圖片，這樣就能使點火開關很方便地實現閉合/斷開的效果切換。

②危險警報燈開關和轉向燈開關的檔位切換。該功能可以通過動態改變