汽車電子控制技術可視化教學系統(tǒng)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(tǒng)的設計與應用，提出運用LI-561ubuntu15.01型號服務器為系統(tǒng)程序運行提供環(huán)境，采用型號為HYVJ-KIBI152數(shù)據(jù)采集板卡采集汽車電子控制技術模擬量數(shù)據(jù)，以模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器對模擬量數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)系統(tǒng)硬件設計;利用MCGS組態(tài)軟件設計系統(tǒng)接口程序、驅(qū)動程序，驅(qū)動數(shù)據(jù)采集板卡與模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采集和處理數(shù)據(jù)，并將其儲存到數(shù)據(jù)庫，通過模擬仿真教學單元仿真模擬教學數(shù)據(jù)庫中汽車電子控制技術模擬量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)可視化教學。實驗證明，設計系統(tǒng)的教學資源分配正確數(shù)量遠高于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

【關鍵詞】汽車電子控制技術 可視化教學系統(tǒng) 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(xiàn)代電子技術與汽車控制系統(tǒng)相結合的產(chǎn)物，其涉及內(nèi)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(fā)展，汽車電子控制技術也成為汽車維修人員的必學內(nèi)容。但是，由于汽車電子控制技術內(nèi)容廣泛、技術難度較高，汽車維修專業(yè)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(tǒng)，但是傳統(tǒng)教學系統(tǒng)在實際應用過程中經(jīng)常出現(xiàn)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(tǒng)。可視化教學系統(tǒng)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(nèi)容。筆者在傳統(tǒng)教學系統(tǒng)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(tǒng)，仿真和模擬汽車電子控制技術的所有教學內(nèi)容。實驗證明，設計系統(tǒng)的教學資源分配正確數(shù)量較高，為教師提供一個良好的教學平臺。

一、系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)可視化教學需求，在系統(tǒng)硬件方面設計了服務器、數(shù)據(jù)采集板卡以及模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其硬件組成如圖1所示。

除了服務器、數(shù)據(jù)采集板卡、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)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(tǒng)運行提供硬件環(huán)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(nèi)存大小為6GB，硬盤32GB。表1為LI-561ubuntu15.01型號服務器的硬件環(huán)境配置。

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

（二）數(shù)據(jù)采集板卡。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)設計需求，采用上?？迫A公司研發(fā)的型號為HYVJ-KIBI152數(shù)據(jù)采集板卡，該數(shù)據(jù)采集板卡性能高，且數(shù)據(jù)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(fā)動機燃油噴射模擬量、汽車廢氣含氧量、發(fā)動機燃油噴射溫度模擬量、發(fā)動機進氣和出氣模擬量等模擬數(shù)據(jù)，通過ISA總線使服務器與數(shù)據(jù)采集板卡互聯(lián)，即可控制數(shù)據(jù)采集板卡運行。

（三）模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)采集板卡采集到的模擬量數(shù)據(jù)不服務系統(tǒng)運行需求，因此利用模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器對采集的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的精準度直接影響此次設計系統(tǒng)的精準度和教學數(shù)據(jù)采集速度，因此根據(jù)系統(tǒng)的需要選擇型號為AGVD-SDNV120的32位半閃速結構模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，該型號模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器不僅具備高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的功能，并且AGVD-SDNV120模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器還具有轉(zhuǎn)換保持電路?？梢詫⑵囯娮涌刂萍夹g相關設備輸出模擬量數(shù)據(jù)信號的占空比經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標準12-32mA/2-22V的模擬信號，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)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(shù)字轉(zhuǎn)換器同一模塊內(nèi)集成了多路高隔離DC/DC電源模擬量數(shù)據(jù)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(chǎn)生的模擬量信號還原、隔離、變送。該型號模擬數(shù)字轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換速率、100ms轉(zhuǎn)換周期、3.2個始終的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)等待時間。AGVD-SDNV120模擬數(shù)字轉(zhuǎn)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(nèi)部的時鐘信號發(fā)生器轉(zhuǎn)換為單路時鐘信號，用于驅(qū)動兩路采樣比較器，由編碼器生成數(shù)字信號，由高四位和低四位合并形成最終的14位傳輸數(shù)據(jù)。通過設計服務器、數(shù)據(jù)采集板卡和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，完成系統(tǒng)硬件設計。

二、系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)系統(tǒng)設計需求，采用MCGS組態(tài)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(xiàn)汽車電子控制技術可視化教學，以下詳細說明系統(tǒng)軟件設計。

（一）汽車電子控制技術模擬數(shù)據(jù)采集與處理。若要實現(xiàn)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(shù)據(jù)，在這一過程采用MCGS組態(tài)軟件來完成。在組態(tài)軟件運行中，通過設定數(shù)據(jù)采集板卡對模擬量數(shù)據(jù)采集周期調(diào)用接口，通過接口連接組態(tài)軟件與數(shù)據(jù)采集板卡驅(qū)動程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集板卡與組態(tài)軟件之間實時數(shù)據(jù)的交換。根據(jù)模擬數(shù)據(jù)采集要求，調(diào)用組態(tài)軟件窗口中的子窗口，將汽車電子控制技術模擬量數(shù)據(jù)輸入與輸出通道的信號建立聯(lián)系。其次，采用VB語言編制組態(tài)軟件驅(qū)動程序，采集與處理汽車電子控制技術模擬數(shù)據(jù)。最后，組態(tài)軟件將處理后的所有汽車電子控制技術模擬量數(shù)據(jù)儲存到數(shù)據(jù)庫中，用于汽車電子控制技術模擬教學。

（二）實現(xiàn)可視化教學。將組軟件采集到的數(shù)據(jù)進行模擬和展示，對實物模擬化展示是系統(tǒng)最核心的功能。根據(jù)汽車電子控制技術教學需求，在系統(tǒng)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(diào)用數(shù)據(jù)庫中采集到的模擬量數(shù)據(jù)，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(tài)圖，單擊圖標即可顯示技術動態(tài)畫面仿真圖，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中模擬量數(shù)據(jù)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(xiàn)可視化教學，進而完成系統(tǒng)設計。

三、實驗

為了證明該系統(tǒng)的可行性，采取實驗的方式驗證系統(tǒng)模仿使用過程，分析設計系統(tǒng)性能。使用BGJ仿真軟件建立設計系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的虛擬運行環(huán)境，并檢查系統(tǒng)與用戶功能要求是否符合實現(xiàn)假設。為保證仿真實驗結果的真實性，創(chuàng)建系統(tǒng)錯誤數(shù)據(jù)及有效數(shù)據(jù)共2000例，其中錯誤數(shù)據(jù)1000例，有效數(shù)據(jù)1000例，將兩個系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集周期時間為1500ms。通過實驗判斷系統(tǒng)是否可以正確執(zhí)行，將上述實驗數(shù)據(jù)分別引入設計系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)當中，將設計系統(tǒng)設為實驗組，將傳統(tǒng)系統(tǒng)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(tǒng)在實際應用中對教學組員分配正確數(shù)量遠高于傳統(tǒng)方法，在1000模擬量數(shù)據(jù)的情況下教學資源分配正確數(shù)量為496，而對照組教學資源分配正確數(shù)量僅為426，此外還可發(fā)現(xiàn)在模擬量數(shù)據(jù)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(shù)量更多。因此，可證明此次設計的系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)系統(tǒng)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(xiàn)本文系統(tǒng)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(tǒng)的優(yōu)越性，對兩種系統(tǒng)進行效率對比，結果如圖2所示。

根據(jù)圖2的數(shù)據(jù)可以看出，在模擬量數(shù)據(jù)為200、400、600、800、1000時，本文系統(tǒng)的效率都要遠遠高于傳統(tǒng)系統(tǒng)，最高時本文系統(tǒng)的效率為98%，而傳統(tǒng)系統(tǒng)最高時的效率僅為86%，有效證明了本文系統(tǒng)的優(yōu)越性。

本文設計的汽車電子控制技術可視化教學系統(tǒng)，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(zhì)量，讓學生更加全面地掌握現(xiàn)代汽車電子控制技術，對培養(yǎng)新型汽車高級應用型人才具有重要作用。但是，系統(tǒng)尚未經(jīng)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(tǒng)進行研究，以滿足現(xiàn)代汽車人才培養(yǎng)的教學需求。

【參考文獻】

[1]朱琳，孔令聰，趙文華，等.基于Leap Motion體感控制器的三維經(jīng)絡輔助教學系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].中國醫(yī)學裝備，2018（5）.

[2]余華，劉嵐，辜雪蓮.基于大數(shù)據(jù)與云計算技術的新型個性化綜合教學系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].當代教育實踐與教學研究，2018（4）.

[3]楊婧靈，白鵬，張書文，等.海上綜合調(diào)查虛擬仿真教學系統(tǒng)建設及教學改革初探[J].科技視界，2018（18）.

[4]史瑞芳.計算機圖像學算法可視化教學系統(tǒng)設計與實現(xiàn)分析[J].中國管理信息化，2018（16）.

[5]馮景，張定文，李衛(wèi)東，董立曄.一種基于虛擬現(xiàn)實的輔助教學系統(tǒng)設計[J].中國科技信息，2018（1）.

[6]姚曉晨.基于Unity3D的注塑模設計虛擬仿真教學系統(tǒng)的構建[J].電腦知識與技術，2019（11）.

[7]尹濤，李浩.基于Unity3D平臺的交互式橋梁施工仿真教學系統(tǒng)研制[J].教育現(xiàn)代化，2019（61）.

[8]王波.LTI系統(tǒng)的頻率特性與系統(tǒng)函數(shù)關系的可視化教學初探[J].福建電腦，2018（12）.

[9]張亞迪，王紅杰，周泓，等.基于三維GIS平臺的電網(wǎng)數(shù)據(jù)資產(chǎn)可視化系統(tǒng)設計及其應用研究[J].電測與儀表，2018（7）.

[10]包昊罡，邢爽，李艷燕，等.在線協(xié)作學習中面向教師的可視化學習分析工具設計與應用研究[J].中國遠程教育，2019（6）.

[11]何芳.基于思維可視化的教學設計與實踐——以《教學系統(tǒng)設計課程》為例[J].教育信息技術，2020（Z1）.

[12]姚德一.可視化電子教學在運動課程中的價值研究[J].電氣傳動，2019（11）.

【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(tài)評價系統(tǒng)研究”（2020KY45011）

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

（責編 盧 雯）