汽車電器虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

嚴(yán)愛(ài)芳,李增芳

(浙江水利水電?？茖W(xué)校,浙江 杭州 310018)

0 引 言

汽車電器是汽車專業(yè)的一門核心課程,實(shí)驗(yàn)在汽車電器課程的教學(xué)中占有重大的比例,實(shí)驗(yàn)教學(xué)是汽車電器教學(xué)的一個(gè)重要組成部分,對(duì)提高學(xué)生的專業(yè)技能水平起著不可估量的作用.但是在實(shí)際教學(xué)中,我們發(fā)現(xiàn),汽車電器實(shí)驗(yàn)受到場(chǎng)地、設(shè)備、經(jīng)費(fèi)等條件的限制,實(shí)驗(yàn)技術(shù)環(huán)境與汽車電器實(shí)際技術(shù)環(huán)境相差較遠(yuǎn),嚴(yán)重影響教學(xué)工作的正常進(jìn)行和教學(xué)效果.研究開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù),開展汽車電器虛擬實(shí)驗(yàn)可以創(chuàng)造多層次(虛擬與現(xiàn)實(shí))、多模式(演示與設(shè)計(jì))的教育實(shí)踐教學(xué)環(huán)境,將會(huì)使學(xué)生的實(shí)踐操作技能和技術(shù)應(yīng)用技能得到全面的提高,有效地彌補(bǔ)現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)的不足[1].

1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)的概況

1.1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

自1989年美國(guó)的University of Virginia的William Wulf教授提出虛擬實(shí)驗(yàn)室概念以來(lái),發(fā)達(dá)國(guó)家大學(xué)里的虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)非常普及,例如加拿大卡爾加里大學(xué)的植物學(xué)算法虛擬實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)的密西根大學(xué)的虛擬工程試驗(yàn)系統(tǒng).從公開信息來(lái)看,目前國(guó)內(nèi)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)還不多,只有一些著名高校如清華大學(xué)、西南交大、浙江大學(xué)、青島海軍航空工程學(xué)院等研發(fā)并建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室或者虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).

就汽車技術(shù)而言,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)基本滿足了目前實(shí)驗(yàn)的需求,但汽車電器的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究和開發(fā)目前還處于空白狀態(tài).

1.2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相比,虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn)：

(1)良好的開放性

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向用戶開放,實(shí)驗(yàn)者可以自由進(jìn)出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),開放性好.虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開放性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是資源開放,實(shí)驗(yàn)者可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要自由地選用虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備、虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境等等;二是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)開放的試驗(yàn)平臺(tái),具有良好的靈活性,實(shí)驗(yàn)者可以自行構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)?zāi)K等等.

(2)不受空間、時(shí)間的限制

利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù),可以徹底打破空間的限制,教師、學(xué)生能觀察到每個(gè)具體汽車電器系統(tǒng)電路的工作情況,這是實(shí)物實(shí)驗(yàn)所無(wú)法比擬的.對(duì)于一些課堂上沒(méi)能及時(shí)做好的實(shí)驗(yàn),學(xué)生課下可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自行完成,完全不受時(shí)間限制.

(3)降低實(shí)驗(yàn)成本,提高實(shí)驗(yàn)安全性

在汽車電器試驗(yàn)中,由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等原因,學(xué)生人均實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)明顯不夠,實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地?fù)頂D,甚至一些實(shí)驗(yàn)根無(wú)法進(jìn)行.利用虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)可以彌補(bǔ)這些方面的不足,降低了實(shí)驗(yàn)易耗品的消耗,同時(shí)還避免了電器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中安全事故的發(fā)生,在降低實(shí)驗(yàn)成本的同時(shí)提高了實(shí)驗(yàn)的安全性.

(4)不受客觀條件限制,實(shí)現(xiàn)“實(shí)物實(shí)驗(yàn)”難于進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

汽車電器系統(tǒng)受到安裝、維修等客觀條件限制,無(wú)法進(jìn)行毀壞性試驗(yàn)和綜合性試驗(yàn),利用虛擬系統(tǒng)可以提供大量的虛擬儀器和設(shè)備進(jìn)行此類實(shí)驗(yàn),同時(shí)還可以避免由于實(shí)驗(yàn)工具故障對(duì)硬件實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的與實(shí)驗(yàn)無(wú)關(guān)的干擾.

2 系統(tǒng)分析

本套汽車電器虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)仿真物理實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng).基于Microsoft Visual Studio 2005(語(yǔ)言為 C#)、Microsoft Access(數(shù)據(jù)庫(kù))開發(fā)的汽車電器虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要任務(wù)是提供實(shí)驗(yàn)情景、交互操作、結(jié)果呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)分析等功能.在虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中,系統(tǒng)能夠模擬各個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的功能以及實(shí)現(xiàn)在這些虛擬的“實(shí)驗(yàn)設(shè)備”之間的信號(hào)傳遞,以實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)汽車電器實(shí)驗(yàn)的模擬,達(dá)到教學(xué)目的[2].若今后系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展,可以依據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量的大小采用SQL Server作為數(shù)據(jù)庫(kù).

本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)汽車蓄電池的充放電實(shí)驗(yàn)、汽車充電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、汽車啟動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等五個(gè)典型的汽車電器實(shí)驗(yàn).典型的汽車電器實(shí)驗(yàn)包括電路設(shè)計(jì)、故障診斷、故障排除等,虛擬電器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：

(1)能夠在屏幕上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)布線或者手動(dòng)布線,供實(shí)驗(yàn)者在各設(shè)備間進(jìn)行線路連接.系統(tǒng)記錄設(shè)備之間的連接.

(2)提供實(shí)驗(yàn)電路的自診斷功能.當(dāng)實(shí)驗(yàn)者線路連接錯(cuò)誤,系統(tǒng)能提醒實(shí)驗(yàn)者,以便于實(shí)驗(yàn)者重新連接線路.

(3)提供一個(gè)可擴(kuò)充的虛擬設(shè)備庫(kù).如各種檢測(cè)工具、電器配件以及一些虛擬的儀表等等.這些設(shè)備和儀器都能根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求顯示在屏幕界面上.

(4)提供實(shí)驗(yàn)指令的解釋執(zhí)行功能,系統(tǒng)能根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)操作指令向相關(guān)設(shè)備傳送信號(hào),并顯示不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

(5)提供實(shí)驗(yàn)成績(jī)的記錄和辨別功能,能根據(jù)實(shí)驗(yàn)者的識(shí)別碼的輸入和實(shí)驗(yàn)效果,自動(dòng)記錄、輸出成績(jī).

3 汽車電器虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型建立[2]

根據(jù)對(duì)汽車電器虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行分析可知,系統(tǒng)有3部分組成,見(jiàn)圖1.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

學(xué)生操作界面是系統(tǒng)輸入部分,完成用戶實(shí)驗(yàn)時(shí)的界面處理,包括姓名學(xué)號(hào)的輸入、試驗(yàn)系統(tǒng)的輸入、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇、設(shè)備的選擇等等,相當(dāng)于數(shù)據(jù)的采集.結(jié)果輸出界面,完成結(jié)果的輸出,比如系統(tǒng)工作狀態(tài)的顯示、指示燈的顯示、電壓值的顯示等等.后臺(tái)仿真計(jì)算程序(數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)計(jì)算)是整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,它接收操作界面送來(lái)的輸入數(shù)據(jù),完成輸入數(shù)據(jù)的處理和大量的模擬計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果返回給輸出界面.明確了虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要功能及原始模型,可以據(jù)此進(jìn)一步建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：VLAB=(F,E1,E2,E3,…,Ei,…,En)其中,VLAB代表要設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),它是元素F和Ei的集合.F代表虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的行為集合(如增加、刪除實(shí)驗(yàn)).E代表一個(gè)要模擬的實(shí)驗(yàn)：E=(P,S,C1,C2,…,Ci,…,Cm),其中E 是元素P,S和Ci的集合;P代表要模擬的實(shí)驗(yàn)的行為集合(即表示學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作行為、結(jié)果輸出行為等);S代表仿真計(jì)算過(guò)程;Ci代表一個(gè)要虛擬的實(shí)驗(yàn)設(shè)備.

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文以汽車充電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)為例,根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)要求,系統(tǒng)為C/S結(jié)構(gòu),虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)如下.

4.1 軟件結(jié)構(gòu)圖

軟件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.

圖2 汽車電器虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2 系統(tǒng)總體流程圖

系統(tǒng)總體流程見(jiàn)圖3.

4.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)包括表匯總和表細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì).

4.3.1 表匯總

各表名及功能說(shuō)明見(jiàn)表1.

表1 表名及功能說(shuō)明

圖3 系統(tǒng)總體流程圖

4.3.2 表細(xì)節(jié)

數(shù)據(jù)表的包括及其關(guān)系,見(jiàn)圖4.

圖4 數(shù)據(jù)表面的關(guān)系

其中的UserInfo表,Role表,TrainRecord表,TrainType表,Conn表功能說(shuō)明見(jiàn)表2～表6.

表2 UserInfo

表3 Role

表4 TrainRecord

表5 TrainType

表6 Conn

就單個(gè)的充電系統(tǒng)虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)而言,數(shù)據(jù)量較少,所以采用Access作為數(shù)據(jù)庫(kù).若系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展,可以依據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量的大小采用SQL Server作為數(shù)據(jù)庫(kù).

同樣,若系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展,可以依據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況決定采用C/S或者B/S結(jié)構(gòu).

5 結(jié) 語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)給我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種有效的輔助工具,建立虛擬環(huán)境下的汽車電器試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),能把汽車電器試驗(yàn)中抽象的、難以直接用一般自然手段表現(xiàn)的直觀形象的表現(xiàn)出來(lái),為學(xué)生汽車電器實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了逼真而靈活的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的先進(jìn)性和實(shí)效性.有效緩解了當(dāng)前實(shí)驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)場(chǎng)地不足的問(wèn)題,提高了實(shí)驗(yàn)的安全性,降低了實(shí)驗(yàn)室的慣例成本和難度,開闊了學(xué)生的眼界,提高了學(xué)生的理論知識(shí)和實(shí)踐知識(shí)的結(jié)合程度.

利用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),還可以充分利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì),在汽車電器遠(yuǎn)程教學(xué)中實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的可控性和交互性,降低遠(yuǎn)程教學(xué)的成本,推動(dòng)汽車電器實(shí)驗(yàn)課程的遠(yuǎn)程教育的發(fā)展.

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