虚拟仪器技术在汽车电子教学中的应用

杨秀萍 陈 炜 郭津津 王收军 牛兴华

天津理工大学机械工程学院 天津 300384

现代教育技术与装备

虚拟仪器技术在汽车电子教学中的应用

杨秀萍 陈 炜 郭津津 王收军 牛兴华

天津理工大学机械工程学院 天津 300384

根据汽车电子课程的教学特点，将虚拟仪器LabVIEW技术应用于教学，设计开发了虚拟检测、诊断控制系统，拓宽了课堂教学和实验教学内容，提高了教学效率与效果。通过开发综合性和设计性虚拟检测系统，将理论知识和实践相结合，提高了学生的创新能力和综合实践能力。

汽车电子；LabVIEW；虚拟仪器；教学

作为战略性新兴产业相关专业的汽车电子，我校以机械工程和电子技术为基础平台，突出“汽—机—电”跨学科特色，旨在培养能够从事汽车检测技术、汽车检测设备等汽车电子控制领域的设计、制造及维修等人才，以满足市场的需求。

目前，汽车电子教学中的主要课程包括汽车电子控制及应用和汽车检测与诊断分析，内容涉及发动机电控技术、底盘电控技术、车身电控技术和电子控制系统检测与诊断。实验内容包括：发动机点火系统及控制、燃油喷射技术、底盘驱动功率及传动效率、电控自动变速器技术、四轮定位参数及制动效能的检测等。

随着现代科学技术的高速发展，汽车电子技术的发展也非常迅速，由于汽车电子设备投资大，实验项目受到设备和仪器的限制；实验设备操作相对复杂，实验可改参数有限，可扩展性差，综合性实验较难开展。［1］针对教学内容及特点，我们在教学中引入虚拟仪器技术，利用LabVIEW对控制系统、电路及故障诊断测试等进行离线仿真分析，开发综合性和设计性虚拟检测系统，弥补已有实验内容的不足，可以节省教学成本，扩充教学内容，提高教学效率与效果，对培养学生的创新能力，提高学生的综合素质大有裨益。同时，由于LabVIEW已广泛应用于工程设计［2，3］，因此利用LabVIEW教学，将先进的设计理念和方法引入教学中，能使学生在掌握汽车电子专业知识的同时，学会专业软件和现代设计方法，拓宽知识面，加强教学和工程应用之间的有机结合，提高学生工程实践能力，为学生毕业后很快适应工作环境打下基础。

1 LabVIEW应用实例

LabVIEW是目前国际应用最广的虚拟仪器开发环境之一。虚拟仪器利用硬件系统完成信号的采集、测量与调理，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，利用计算机的显示器模拟传统仪器的控制面板，以多种形式输出测试结果，从而完成所需的各种测试功能。［4］笔者以汽车轮胎压力检测系统为例，说明虚拟仪器技术在教学中的应用。

汽车轮胎压力检测系统可以对行驶过程中的轮胎压力、温度进行实时监测，异常状况发生时，自动报警，以保证驾驶员及乘客的安全。系统选用SP12压力传感器，AT89C51微处理器和无线发射芯片TLC2543。以微处理器为核心接收端，外接无线接收芯片TLC2543，SP12传感器为核心采样端。设计的硬件电路由轮胎的4个检测模块、1个中央接收模块以及1个显示模块组成，中央接收模块及显示模块通过串口进行通讯。4个采样端通过各自的传感器将测得的压力、温度及电池电压信号，经过编码和调制后，通过各自的天线将信号传输给中央接收端进行解调、解码，显示各轮胎的温度和压力状况，并自动报警。［5-7］

根据系统工作流程，绘出各单元的流程图后，设计LabVIEW仿真界面。采用仪表和波形图表进行仿真，并计算最大值，最小值以及平均值。已知轮胎压力的承受范围为100 kPa～450 kPa，由此选择的SP12传感器，可以准确判定即将到来的爆胎或碾胎，并实时报警，依据软件滤波的方法消除数据采集误差干扰，保证测量的压力数据的精确性，因而保证了乘客和驾驶员的安全。图1为汽车轮胎压力检测仿真程序框图，图2为轮胎压力仿真控制面板。

图1 轮胎压力检测仿真程序框图

利用虚拟仪器LabVIEW技术，由于只需对硬件功能做原理性开发，将各种数据采集设备集成到计算机中，通过软件实现各种数据读取和信号分析处理，最后将结果显示出来，因此可以灵活开发适合各种车型的检测功能，拓宽教学和实验内容，使每名学生都能参与设计。

图2 轮胎压力仿真控制面板

2 LabVIEW在教学中的实现

由于LabVIEW采用图形编程，操作方便，形象直观，易于学生学习，也便于课堂教学；作为上位机操作界面，通过下位机接口与硬件相连，与实物实验相统一，数据流动直观，因此学生容易理解和掌握教学内容。

教学中，我们充分利用课堂教学、实验教学以及专业设计和毕业设计等教学环节，适时引入LabVIEW仿真实例，说明其工作原理、解决问题思路，具体问题的分析与实现，注重实例与工程问题和所讲章节理论内容的联系。

实例分为3个层次：简单实例、实验仿真实例和复杂实例。简单实例，程序设计简单，结果显示直观，操作简便，便于课堂演示，如汽车车速测量系统，面板只有车轮直径、车轮速度以及车速3个控件，1个是否超速指示灯；与实验相关的实例，程序和模型要复杂些，教师在课下完成程序设计、建立面板模型，课堂简单介绍建模过程及工作原理，让学生对实验内容有所了解，重点显示结果及性能分析，具体仿真过程由学生课下或实验课完成。为了便于学生应用仿真实例，熟悉软件环境、操作步骤等，编写了仿真实例指导书，并制成视频和课件形式，帮助学生在课堂以外，重复仿真实例的内容，巩固所学的知识。可以改变工作参数，让学生重新进行仿真，对结果进行比较、分析，达到举一反三的目的。［8］对于复杂设计实例则在专业设计和毕业环节完成，重点对车身的电子控制和系统的检测、诊断系统进行设计开发。针对教师拟定设计题目和要求，学生以小组合作的方式，每名学生负责不同的设计部分，通过对理论知识的掌握消化、查阅资料，自行完成设计，最后写出设计报告和操作说明，并演示设计结果。让学生有机会运用仿真工具进行设计，巩固专业知识，使教学过程前后呼应。

目前利用LabVIEW自行开发的仿真检测系统主要包括：汽车发动机性能检测系统、汽车倒车显示与报警系统、汽车水温检测与控制系统、汽车智能测速系统、汽车智能压力（发动机气缸压力和轮胎压力）检测与控制系统、汽车智能温度（车厢、油温和轮胎）检测与控制系统、汽车自动计程器的设计。

3 结束语

利用LabVIEW作为一种实验工具，与教学内容有机融合，实现对汽车电子系统进行虚拟设计、检测、诊断等，教学结果表明，用软件模拟实际硬件的全部功能，节约了成本，提高了教学效果，既培养了学生在数据采集和分析、计算机仿真方面的能力，同时又不忽略对硬件系统的认识，可以加深学生对所学知识的理解，拓宽教学内容和范围，提高实验的综合性和设计性。学生普遍认为通过这种教学方式，创新能力和实践能力得到提高，对设计内容记忆深刻。

由于虚拟实验操作形式灵活，制成课件后可以在课堂教学中演示，使理论教学和实验教学互补，有助于学生对课程教学内容的理解和掌握，对熟悉和应用汽车电子起到积极作用。［9］同时，学生在掌握汽车电子专业知识的同时，还学会了虚拟仪器开发软件LabVIEW的使用，为今后的工作奠定了基础。

目前，已开发的虚拟检测系统的内容以及在教学中应用的形式仍在不断的改进与完善，还需要在实践和理论上不断探索，以培养出更多适应现代汽车电子技术发展需求的工程技术人才。

［1］ 仇成群，王忠纯，沈法华.汽车电子虚拟实验教学系统的研究［J］.实验科学与技术，2012，10（3）:47-50.

［2］ 吴后平，张振东，郭辉.基于LabVIEW 的汽车空调压力开关性能检测系统［J］.仪表技术与传感器，2014（1）:64-66.

［3］ 宋瑞.基于LabVIEW的汽车动力性仿真分析软件设计［J］. 汽车工业研究，2013（7）:46-49.

［4］ 张兰勇，孙健，孙晓云. LabVIEW 程序设计基础与提高［M］.北京:机械工业出版社，2013.

［5］ 刘彦飞，余成波.基于LabVIEW的轮胎压力监测系统的研究［J］.电子质量，2008（10）:22-24.

［6］ 葛清志，张向文，许勇.虚拟仪器技术在胎压监测系统中的应用［J］.计算机测量与控制，2009，17（6）:1090-1091.

［7］ 付百学.汽车电子控制技术（下册）［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［8］ 杨秀萍，陈炜，郭津津，杨旴昊.Fluent软件在液压传动教学中的应用［J］.中国现代教育装备，2013（15）:4-5.

［9］ 仇成群.汽车电子虚拟实验教学研究探讨［J］.装备制造技术，2011（11）:211-213.

Application of Virtual Instrument Technology to Teaching on Automobile Electron

Yang Xiuping， Chen Wei， Guo Jinjin， Wang Shoujun， Niu Xinghua
School of Mechanical Engineering， Tianjin University of Technology， Tianjin， 300384， China

According to the teaching features of automobile electron， LabVIEW virtual instrument technology was applied to teaching. The control systems of virtual detection， diagnosis were designed and developed. The method can widen the contents of classroom and experimental teaching， enhance teaching effciency and effect. It can strengthen the combination between theory and practice， and improve the students' ability of innovation and comprehensive practice by developing the virtual testing system of comprehensive and designed.

automobile electron； LabVIEW； virtual instrument； teaching

2015-04-23

杨秀萍，硕士，教授，硕士生导师。

天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革研究计划重点项目（编号：C03-0802，B01-0802）。