汽車電子教學(xué)中虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用

王楠

[摘 ?要]在汽車電子教學(xué)中以課程教學(xué)特性為主要依據(jù)，用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行虛擬檢測(cè)與診斷控制體系的設(shè)計(jì)與研發(fā)，可擴(kuò)展課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，能夠在很大程度上提升教學(xué)效率。綜合性虛擬檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)與實(shí)踐操作的有機(jī)結(jié)合，能夠進(jìn)一步提高學(xué)生的創(chuàng)新能力與專業(yè)實(shí)踐能力。據(jù)此，本文主要對(duì)汽車電子教學(xué)中虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)分析。

[關(guān)鍵詞]汽車電子教學(xué) ?虛擬儀器技術(shù) ?應(yīng)用

虛擬儀器技術(shù)用于汽車電子教學(xué)的重要意義

在科技現(xiàn)代化快速發(fā)展的趨勢(shì)下，汽車電子技術(shù)也在不斷進(jìn)步與發(fā)展，但是因?yàn)槠囯娮釉O(shè)備投資過大，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目易受設(shè)備與儀器等方面的限制;又因?qū)嶒?yàn)設(shè)備操作比較繁雜，實(shí)驗(yàn)中可更改的參數(shù)有限，缺乏良好的可擴(kuò)展性，所以綜合性實(shí)驗(yàn)難以順利進(jìn)行。就具體教學(xué)內(nèi)容與特性而言，在汽車電子教學(xué)中利用虛擬儀器，基于LabVIEW離線仿真分析控制系統(tǒng)、電路、故障診斷等，進(jìn)行綜合性虛擬檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅彌補(bǔ)了既有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的缺陷，還能有效節(jié)約成本，擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)水平與質(zhì)量，有助于增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與專業(yè)實(shí)踐能力，快速提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)。LabVIEW已在工程設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用，所以，將其設(shè)計(jì)理念與方式引入汽車電子教學(xué)，可以使學(xué)生熟練掌握專業(yè)知識(shí)，并在此基礎(chǔ)上熟知專業(yè)軟件與現(xiàn)代化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展知識(shí)體系，強(qiáng)化教學(xué)與工程應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生工程實(shí)踐能力的提高，為學(xué)生就業(yè)后快速適應(yīng)職業(yè)環(huán)境奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

虛擬儀器技術(shù)分析

1.虛擬儀器構(gòu)成

虛擬儀器主要是由通用的計(jì)算機(jī)資源、應(yīng)用軟件、儀器硬件等構(gòu)成，是一種由計(jì)算機(jī)操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

信號(hào)連接器的任務(wù)是在不損害既有線束的基礎(chǔ)上，引出所需采集信號(hào)。信號(hào)采集卡的責(zé)任是采集、調(diào)整、傳輸信號(hào)。PC機(jī)是以計(jì)算機(jī)資源為載體，采集、接收、顯示、保存數(shù)據(jù)。在無法與汽車連接時(shí)，軟件能夠離線運(yùn)轉(zhuǎn)，可通過直觀生動(dòng)的界面進(jìn)行原理與策略的展示。

2.信號(hào)采集卡

信號(hào)采集卡具備遠(yuǎn)端模擬量采集模塊，適用于各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，能夠輸入八路電壓信號(hào)，以RS485接口為載體與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳訊。此裝置可以進(jìn)行汽車傳感器電壓值、噴油脈沖寬度、開關(guān)信號(hào)等檢測(cè)，所獲結(jié)果通過接口傳輸?shù)絇C機(jī)，還可以利用界面對(duì)各系統(tǒng)狀況進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)。遠(yuǎn)端模擬量采集模塊主要包含七大組成部分，其工作原理具體如圖2所示。

3.虛擬儀器的軟件

虛擬儀器軟件系統(tǒng)主要利用LabVIEW，這是一款非常專業(yè)的圖形化編程軟件，其程序設(shè)計(jì)便捷，工作效率和水平突出，界面美觀，比較適合用于汽車電子課堂教學(xué)。這樣一來，不僅可以使課堂更加生動(dòng)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與興趣，還可以幫助學(xué)生熟練掌握相關(guān)技術(shù)。

LabVIEW應(yīng)用實(shí)例分析

LabVIEW是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的虛擬儀器開發(fā)軟件，其主要通過硬件系統(tǒng)采集、測(cè)量、調(diào)整、處理信號(hào)，可基于計(jì)算機(jī)的軟件功能計(jì)算、分析信號(hào)數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)顯示器對(duì)傳統(tǒng)儀器的控制面板進(jìn)行模擬，以多元化形式輸出測(cè)試結(jié)果，完善測(cè)試功能。

1.汽車輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)

汽車輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)能夠全過程監(jiān)控汽車行駛中的輪胎壓力與溫度，一旦出現(xiàn)異常狀況，便會(huì)自動(dòng)報(bào)警，以確保駕駛?cè)藛T和乘客的安全。在操作時(shí)，以系統(tǒng)工作具體流程為依據(jù)，先繪制流程圖，實(shí)現(xiàn)LabVIEW的仿真界面設(shè)計(jì);然后再基于儀表與波形圖仿真分析，計(jì)算并分析相關(guān)值。在已知輪胎壓力的承受范圍為100～450kPa的前提條件下，選用SP12傳感器，準(zhǔn)確評(píng)斷可能會(huì)出現(xiàn)的爆胎或者碾胎現(xiàn)象，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。最后，用軟件濾波方式將數(shù)據(jù)采集誤差及干擾清除干凈，以保證壓力數(shù)據(jù)足夠可靠與準(zhǔn)確，使駕駛?cè)藛T與乘客的人身安全得到有效保障。汽車輪胎壓力檢測(cè)仿真程序具體如圖3所示。

在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生應(yīng)對(duì)虛擬儀器LabVIEW技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析與合理利用，因?yàn)槠渲恍柙谟?jì)算機(jī)中集成數(shù)據(jù)采集設(shè)備，就可獲取數(shù)據(jù)信息，對(duì)信息進(jìn)行分析處理，并能顯示最終結(jié)果。所以，該技術(shù)能夠靈活開發(fā)與各種類型汽車相適應(yīng)的檢測(cè)功能，還可擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，促使學(xué)生積極參與設(shè)計(jì)過程。

2.汽車電子虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)

汽車電子虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)有效利用了LabVIEW技術(shù)，融合綜合性與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生熟練掌握專業(yè)知識(shí)、理論聯(lián)系實(shí)踐發(fā)揮著重要作用。該平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)形式十分靈活，既能夠通過多媒體教室加以展示，又能夠監(jiān)督、引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手操作。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，汽車電子虛擬實(shí)驗(yàn)具有多重優(yōu)點(diǎn)。

首先，完善真實(shí)性實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)充分利用網(wǎng)絡(luò)中的有效資源，收集類似于實(shí)際實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并進(jìn)行優(yōu)化、比較、分析，從而彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)的缺陷與不足。其次，增加了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容。在該實(shí)驗(yàn)中，真實(shí)項(xiàng)目與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，教師能科學(xué)合理地安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將簡單真實(shí)的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換成虛擬實(shí)驗(yàn)的相關(guān)資源，供學(xué)生自行學(xué)習(xí)和練習(xí)。將真實(shí)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合性實(shí)驗(yàn)，不僅可以豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還能節(jié)約成本。再次，有助于學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)。在實(shí)驗(yàn)過程中，若學(xué)生在課前預(yù)習(xí)或聽教師講解時(shí)未全面了解實(shí)驗(yàn)原理，就會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成嚴(yán)重影響，使得實(shí)驗(yàn)效果不如人意。但是，虛擬實(shí)驗(yàn)具有無限復(fù)制的特性，學(xué)生可以根據(jù)自身實(shí)際需要反復(fù)學(xué)習(xí)，選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間開展實(shí)驗(yàn)。最后，有助于學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的提升。虛擬實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容豐富、多元，學(xué)生可以根據(jù)自身需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M。這樣一來，學(xué)生不僅可以開展自主探究與合作學(xué)習(xí)，還能激發(fā)自身的學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生應(yīng)學(xué)會(huì)利用專業(yè)知識(shí)有效解決實(shí)際問題，并在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)不足，進(jìn)一步拓展知識(shí)體系，探究方式方法，實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新。

LabVIEW在汽車電子教學(xué)中的實(shí)踐

LabVIEW基于圖形編輯，操作簡單，生動(dòng)直觀，極易引導(dǎo)學(xué)生深化學(xué)習(xí)，也有助于教師順利進(jìn)行課堂教學(xué)。上位機(jī)操作界面基于下位機(jī)的接口，可與硬件實(shí)現(xiàn)相互對(duì)接與相互統(tǒng)一;其數(shù)據(jù)流動(dòng)形象直觀，有助于學(xué)生進(jìn)一步掌握相關(guān)知識(shí)。教師可在汽車電子教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中充分引入LabVIEW仿真實(shí)例驗(yàn)證基礎(chǔ)原理，要重視實(shí)例與理論知識(shí)之間的密切聯(lián)系。實(shí)例可劃分為三層，如下所示。

其一，簡單實(shí)例。LabVIEW的程序設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)簡捷，結(jié)構(gòu)直觀生動(dòng)，操作簡單，在課堂教學(xué)中進(jìn)行展示非常方便，比如講解汽車車速測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，在面板上只顯示車輪的直徑、速度等內(nèi)容。其二，實(shí)驗(yàn)實(shí)例。程序模型十分復(fù)雜，教師要在課后設(shè)計(jì)程序，用面板建模;在課堂教學(xué)過程中，為學(xué)生詳細(xì)闡釋建模流程與原理，使其能夠全面了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，為他們的實(shí)踐提供有力幫助。同時(shí)，LabVIEW還可以進(jìn)行功能分析。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課或者課余時(shí)間進(jìn)行仿真訓(xùn)練時(shí)，為了便于他們熟悉軟件的具體操作流程與運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境等，教師還應(yīng)編制指導(dǎo)說明，以視頻或者課件的形式存儲(chǔ)，輔助學(xué)生在課余時(shí)間能反復(fù)進(jìn)行仿真模擬學(xué)習(xí)，進(jìn)一步鞏固理論知識(shí)。其三，復(fù)雜設(shè)計(jì)實(shí)例。學(xué)生在進(jìn)行專業(yè)設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)設(shè)計(jì)并開發(fā)汽車的電子控制與系統(tǒng)檢測(cè)。教師對(duì)題目和要求會(huì)有明確的規(guī)定，學(xué)生可通過小組合作的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用既有理論知識(shí)查看相關(guān)資料，使設(shè)計(jì)開發(fā)工作有序完成，并及時(shí)上交設(shè)計(jì)報(bào)告與具體操作說明，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的全面展示。

現(xiàn)階段，在汽車電子教學(xué)中運(yùn)用LabVIEW自行開發(fā)的仿真檢測(cè)系統(tǒng)，利用虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軐④浖哪M硬件功能全面發(fā)揮出來，在節(jié)約成本的同時(shí)，還提高了教學(xué)效率與效果，可確保學(xué)生具備一定的數(shù)據(jù)采集與分析能力及計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)能力，深化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的深層理解與認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)學(xué)生綜合能力與素養(yǎng)的全面提升。在汽車電子虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中合理利用LabVIEW技術(shù)，不僅能實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)之間的密切結(jié)合，還能做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，強(qiáng)化學(xué)生的基本功訓(xùn)練，使學(xué)生掌握科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)方式。

結(jié) ?語

綜上所述，LabVIEW技術(shù)與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，能進(jìn)行汽車電子系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)檢測(cè)診斷。實(shí)踐結(jié)果證明，LabVIEW可將軟件的模擬硬件功能充分發(fā)揮出來，不僅能大大節(jié)約成本，還能提升教學(xué)效率與質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生良好的綜合能力與專業(yè)素養(yǎng)。另外，利用這一教學(xué)方式，還能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，加深學(xué)生對(duì)于設(shè)計(jì)知識(shí)的多層次、多元化記憶。又因虛擬實(shí)驗(yàn)的操作形式比較靈活，在課件制成以后，能以課程教學(xué)為載體進(jìn)行全面展示，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的互補(bǔ)，使學(xué)生熟練掌握課程知識(shí)，所以，該技術(shù)在汽車電子教學(xué)中有著不可替代的重要作用。與此同時(shí)，學(xué)生應(yīng)在具備專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上，全方位掌握虛擬儀器軟件，為后續(xù)工作的開展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。當(dāng)前，虛擬檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)容及其在教學(xué)中的應(yīng)用形式還需要進(jìn)一步優(yōu)化與豐富，各校教師要在理論與實(shí)踐中積極探索，爭(zhēng)取培養(yǎng)出更多優(yōu)秀的汽車電子技術(shù)人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊秀萍、陳煒、郭津津 等：《虛擬儀器技術(shù)在汽車電子教學(xué)中的應(yīng)用》，《中國現(xiàn)代教育裝備》2015年第19期，第11-13頁。

[2]張彥會(huì)、楊丹丹、曹強(qiáng)榮：《虛擬儀器在汽車電子教學(xué)中的應(yīng)用》，《西部大開發(fā)》（旬刊）2013年第2期，第96頁。

作者單位：西安汽車職業(yè)大學(xué) ?陜西西安