汽车电子控制技术可视化教学系统的设计与应用

【摘 要】本文论述汽车电子控制技术可视化教学系统的设计与应用，提出运用LI-561ubuntu15.01型号服务器为系统程序运行提供环境，采用型号为HYVJ-KIBI152数据采集板卡采集汽车电子控制技术模拟量数据，以模拟数字转换器对模拟量数据进行转换，实现系统硬件设计;利用MCGS组态软件设计系统接口程序、驱动程序，驱动数据采集板卡与模拟数据转换器采集和处理数据，并将其储存到数据库，通过模拟仿真教学单元仿真模拟教学数据库中汽车电子控制技术模拟量数据，实现可视化教学。实验证明，设计系统的教学资源分配正确数量远高于传统系统。

【关键词】汽车电子控制技术 可视化教学系统 硬件设计  软件设计

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2020）39-0190-03

汽车电子控制技术是现代电子技术与汽车控制系统相结合的产物，其涉及内容比较广泛，其中包括电控电子点火技术、电控定速导航技术、电控防抱死刹车技术、电控汽车燃油喷射技术、电子控制变速技术以及电子控制悬架技术等。作为一种科学的控制技术，汽车电子控制技术对汽车控制能力的提升具有重要作用。隨着电子技术在汽车领域的应用与发展，汽车电子控制技术也成为汽车维修人员的必学内容。但是，由于汽车电子控制技术内容广泛、技术难度较高，汽车维修专业学生学习起来相对比较困难，虽然在教学过程中应用了教学系统，但是传统教学系统在实际应用过程中经常出现卡顿，且对汽车电子控制技术教学资源分配精度较低，导致汽车电子控制技术教学效果较差，因此有必要设计与应用汽车电子控制技术可视化教学系统。可视化教学系统主要是凭借计算机技术的帮助完成各种教学活动，令学生更加真实地了解和掌握所学习的内容。笔者在传统教学系统基础上，设计出一种更适用于汽车电子控制技术教学的可视化教学系统，仿真和模拟汽车电子控制技术的所有教学内容。实验证明，设计系统的教学资源分配正确数量较高，为教师提供一个良好的教学平台。

一、系统硬件设计

根据可视化教学需求，在系统硬件方面设计了服务器、数据采集板卡以及模拟数字转换器，其硬件组成如图1所示。

除了服务器、数据采集板卡、模拟数字转换器这3个硬件外，还有硬盘、键盘、鼠标等一些基本硬件，这些基本硬件不作为此次研究重点，以下将对上述提到的3个核心硬件进行详细描述。

（一）服务器。选用LI-561ubuntu15.01型号的服务器设备为汽车电子控制技术可视化教学系统运行提供硬件环境，LI-561ubuntu15.01型号服务器的配置为双核CPU，外设多个可扩展处理器，内存大小为6GB，硬盘32GB。表1为LI-561ubuntu15.01型号服务器的硬件环境配置。

LI-561ubuntu15.01型号服务器具备图形处理、现场可编程逻辑门阵列两个选项，可以适应任何系统应用程序，可以帮助汽车电子控制技术可视化教学系统运行，并利用该硬件设备以提高系统应用程序的性能。

（二）数据采集板卡。数据采集板卡主要是采集涉及汽车电子控制技术的主要设备模拟量数据。根据系统设计需求，采用上海科华公司研发的型号为HYVJ-KIBI152数据采集板卡，该数据采集板卡性能高，且数据采集速度较快，通过一个2路六位模拟量输入模块，采集关于汽车电子控制技术的发动机燃油喷射模拟量、汽车废气含氧量、发动机燃油喷射温度模拟量、发动机进气和出气模拟量等模拟数据，通过ISA总线使服务器与数据采集板卡互联，即可控制数据采集板卡运行。

（三）模拟数字转换器。数据采集板卡采集到的模拟量数据不服务系统运行需求，因此利用模拟数据转换器对采集的数据进行转换。模拟数字转换器的精准度直接影响此次设计系统的精准度和教学数据采集速度，因此根据系统的需要选择型号为AGVD-SDNV120的32位半闪速结构模拟数字转换器，该型号模拟数字转换器不仅具备高速模拟数字转换的功能，并且AGVD-SDNV120模拟数字转换器还具有转换保持电路。可以将汽车电子控制技术相关设备输出模拟量数据信号的占空比经隔离转换为统一标准12-32mA/2-22V的模拟信号，实现对数据采集板卡采集信号的隔离放大和显示控制功能。AGVD-SDNV120模拟数字转换器同一模块内集成了多路高隔离DC/DC电源模拟量数据隔离控制电路等，适用于在可视化教学过程中将汽车电子控制技术相关设备产生的模拟量信号还原、隔离、变送。该型号模拟数字转换器主要性能指标为：22V多电源供电、分辨率为32位、25MSPS最大转换速率、100ms转换周期、3.2个始终的转换数据等待时间。AGVD-SDNV120模拟数字转换器的各个引脚排列及对应功能如表2所示。

外部时钟信号由AGVD-SDNV120的C时钟信号输入脚传输，由内部的时钟信号发生器转换为单路时钟信号，用于驱动两路采样比较器，由编码器生成数字信号，由高四位和低四位合并形成最终的14位传输数据。通过设计服务器、数据采集板卡和模拟数字转换器，完成系统硬件设计。

二、系统软件设计

根据系统设计需求，采用MCGS组态软件、VB语言编制软件模拟采集和处理汽车电子控制技术，通过设计模拟仿真教学单元，实现汽车电子控制技术可视化教学，以下详细说明系统软件设计。

（一）汽车电子控制技术模拟数据采集与处理。若要实现汽车电子控制技术可视化教学，首先，需要采集与处理该技术的模拟数据，在这一过程采用MCGS组态软件来完成。在组态软件运行中，通过设定数据采集板卡对模拟量数据采集周期调用接口，通过接口连接组态软件与数据采集板卡驱动程序，实现数据采集板卡与组态软件之间实时数据的交换。根据模拟数据采集要求，调用组态软件窗口中的子窗口，将汽车电子控制技术模拟量数据输入与输出通道的信号建立联系。其次，采用VB语言编制组态软件驱动程序，采集与处理汽车电子控制技术模拟数据。最后，组态软件将处理后的所有汽车电子控制技术模拟量数据储存到数据库中，用于汽车电子控制技术模拟教学。

（二）实现可视化教学。将组软件采集到的数据进行模拟和展示，对实物模拟化展示是系统最核心的功能。根据汽车电子控制技术教学需求，在系统中增加技术模拟仿真教学单元，该仿真单元包括电控电子点火仿真、电控定速导航仿真、电控防抱死刹车仿真、电控汽车燃油喷射仿真、电子控制变速仿真以及电子控制悬架仿真等，通过调用数据库中采集到的模拟量数据，模拟仿真教学单元即模拟仿真所需要教学的技术。模拟仿真教学过程如下：进入模拟仿真教学单元主页，点击所需要教学技术名称，此时会显示该技术组态图，单击图标即可显示技术动态画面仿真图，调用数据库中模拟量数据显示技术模拟曲线。该单元可真实地模拟展示汽车电子控制技术，满足教学需求，实现可视化教学，进而完成系统设计。

三、实验

为了证明该系统的可行性，采取实验的方式验证系统模仿使用过程，分析设计系统性能。使用BGJ仿真软件建立设计系统与传统系统的虚拟运行环境，并检查系统与用户功能要求是否符合实现假设。为保证仿真实验结果的真实性，创建系统错误数据及有效数据共2000例，其中错误数据1000例，有效数据1000例，将两个系统基准频率设置为200ms，时间变量更新频率设置为1500ms，比特率设置为5600Bit，数据位为8位，4个停止位，通信超时时间设置为12～25ms左右，汽车电子控制技术模拟量数据采集周期时间为1500ms。通过实验判断系统是否可以正确执行，将上述实验数据分别引入设计系统和传统系统当中，将设计系统设为实验组，将传统系统设为对照组，其实验结果如表3所示。

从表3可以看出，此次设计的系统在实际应用中对教学组员分配正确数量远高于传统方法，在1000模拟量数据的情况下教学资源分配正确数量为496，而对照组教学资源分配正确数量仅为426，此外还可发现在模拟量数据为200、400、600、800时，本文技术相较于对照组技术而言，教学资源分配正确数量更多。因此，可证明此次设计的系统相对于传统系统而言，汽车电子控制技术教学资源分配精度较高，更适用于汽车电子控制技术可视化教学需求，从而实现本文系统设计的目的。

为了进一步说明汽车电子控制技术可视化教学系统的优越性，对两种系统进行效率对比，结果如图2所示。

根据图2的数据可以看出，在模拟量数据为200、400、600、800、1000时，本文系统的效率都要远远高于传统系统，最高时本文系统的效率为98%，而传统系统最高时的效率仅为86%，有效证明了本文系统的优越性。

本文设计的汽车电子控制技术可视化教学系统，为汽车电子控制技术教学提供了良好的教学手段，有助于提高汽车电子控制技术教学水平和教学质量，让学生更加全面地掌握现代汽车电子控制技术，对培养新型汽车高级应用型人才具有重要作用。但是，系统尚未经过大量的实际应用，在功能上还不够完善，还需进一步对教学系统进行研究，以满足现代汽车人才培养的教学需求。

【参考文献】

[1]朱琳，孔令聪，赵文华，等.基于Leap Motion体感控制器的三维经络辅助教学系统设计与实现[J].中国医学装备，2018（5）.

[2]余华，刘岚，辜雪莲.基于大数据与云计算技术的新型个性化综合教学系统研究与实现[J].当代教育实践与教学研究，2018（4）.

[3]杨婧灵，白鹏，张书文，等.海上综合调查虚拟仿真教学系统建设及教学改革初探[J].科技视界，2018（18）.

[4]史瑞芳.计算机图像学算法可视化教学系统设计与实现分析[J].中国管理信息化，2018（16）.

[5]冯景，张定文，李卫东，董立晔.一种基于虚拟现实的辅助教学系统设计[J].中国科技信息，2018（1）.

[6]姚晓晨.基于Unity3D的注塑模设计虚拟仿真教学系统的构建[J].电脑知识与技术，2019（11）.

[7]尹涛，李浩.基于Unity3D平台的交互式桥梁施工仿真教学系统研制[J].教育现代化，2019（61）.

[8]王波.LTI系统的频率特性与系统函数关系的可视化教学初探[J].福建电脑，2018（12）.

[9]张亚迪，王红杰，周泓，等.基于三维GIS平台的电网数据资产可视化系统设计及其应用研究[J].电测与仪表，2018（7）.

[10]包昊罡，邢爽，李艷燕，等.在线协作学习中面向教师的可视化学习分析工具设计与应用研究[J].中国远程教育，2019（6）.

[11]何芳.基于思维可视化的教学设计与实践——以《教学系统设计课程》为例[J].教育信息技术，2020（Z1）.

[12]姚德一.可视化电子教学在运动课程中的价值研究[J].电气传动，2019（11）.

【基金项目】2020年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“基于移动终端的课堂教学动态评价系统研究”（2020KY45011）

【作者简介】覃庆环（1979— ），女，广西大化人，广西现代职业技术学院讲师，研究方向：汽车电子教学研究。

（责编 卢 雯）