基于计算机的汽车虚拟仪表仿真研究

摘要：本文提出一种基于计算机的汽车虚拟仪表仿真方法。文章分析了仿真的基本原理，简介了仿真中应用的主要技术，阐述了实现的具体方法，并给出仿真界面和结果，最后，对该方法的实际工程应用做出了评价。

关键词：计算机；虚拟仪表；汽车；仿真

中图分类号：S219文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)03-10649-01

国内从上世纪80年代开始引进国外汽车制造技术，由于汽车技术含量高、制造难度大，我国在制造工艺、精密加工技术、铸造技术、数控技术等方面与国外差距较大，因此目前我国汽车制造水平还有待一步发展，整个行业也处于产品结构调整期。[1] “十五”期间，随着国内汽车生产企业在计算机控制操作系统、智能化驾乘系统等研发领域上投入的逐渐加大，基于新一代计算机控制技术的汽车系统制造、设计、仿真技术越来越被行业所关注，也成为汽车制造行业的研究热点。

本文提出一种基于计算机的汽车虚拟仪表仿真方法。

1 仿真系统硬件结构

1.1 CAN总线

CAN总线又称汽车总线，全称为CAN-Controller Area Network，意为“局域控制网”。CAN总线是一种区别于办公室总线的现场总线，是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的ECU（电控模块）之间的数据交换而开发的一种串行通信协议。[2]CAN推出之初用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。由于其能够以较低的成本、较高的实时处理能力在强电磁干扰环境下可靠地工作，因此本例采用CAN总线进行汽车的控制与仿真。

1.2 仿真系统硬件结构

本文仿真的汽车网络连接采用2条CAN总线：一条高速CAN，用于汽车的驱动系统，速率达到500kb/s；一条低速CAN，用于汽车的车身系统，速率为100kb/s。两条独立的总线之间设计有“网关”，以实现在两条CAN总线之间的资源共享，硬件系统将首先将各个数据总线的信息反馈到汽车的物理仪表盘，实现通过物理仪表盘显示汽车的电控装置是否正常工作。

驱动系统高速CAN总线主要连接对象是汽车发动机控制器（ECU）、组合仪表等，它们的基本特征相同，都是控制与汽车的行驶直接相关的动力系统。按照总线控制系统的三层结构模型，安装于汽车发动机内的转速传感器、温度传感器等位于总线的设备层；高速CAN总线网关负责对上述设备进行管理，其充当控制层，用于控制整个现场总线系统的信息层由通过仿真接口与系统相连的IBM―PC充当。

车身系统低速CAN总线主要连接和控制汽车的内外部照明、灯光信号、油箱液位检测等电气设备。按照现场总线控制系统的三层结构模型，安装于汽车前端的照明灯、驾驶室通风设备、尾灯照明等设备位于总线的设备层；低速CAN总线网关负责对上述设备进行管理，其充当控制层，用于控制整个现场总线系统的信息层由通过仿真接口与系统相连的计算机充当。

仿真系统硬件结构图如下：

图1 仿真系统硬件结构图

2 仿真系统软件设计

2.1虚拟仪器软件LabVIEW

LabVIEW是NI公司推出的仪器仪表仿真软件，其具有革命性的图形化开发环境，内置信号采集、测量分析与数据显示功能，并摒弃了传统开发工具的复杂性，在保证系统灵活性的前提下，能够提供强的大功能。LabVIEW程序将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在同一环境中，无缝地集成一套完整的仿真应用方案。[3]

2.2系统软件流程

软件由LabVIEW8.2实现。虚拟仪表子窗体中添加若干个核心控件：仪表控件1，用于显示汽车发动机的实时转速；仪表控件2，用于显示当前时速；量表控件，用于显示汽车油箱的燃料液位实时百分比；温度控件，用于显示汽车发动机内部的实时温度；液位控件，用于显示汽车发动机冷却液的实时值；指示灯控件1，用于显示汽车前方远光灯；指示灯控件2，用于显示汽车前方近光灯；指示灯控件3，用于显示汽车后方大灯；子窗口还具有虚拟仪表仿真显示参数超过预警值后的发声报警功能，其通过发声函数打开事先录制好的MP3声音文件完成。为丰富和完善仿真系统的功能，界面分别调用ComboBox控件现实预警声音选择和VScrollBox控件实现预警音量控制功能。

2.3 仿真软件界面

按照2.2节所述，设计、建立并运行的汽车虚拟仪表界面截图如下：

图2 仿真虚拟仪表系统界面

3 系统工程应用与评价

基于计算机的汽车虚拟仪表仿真系统在Windows XP（SP2）和LabVIEW 8.2试用版上调试通过，使用正常，能够达到仿真的效果。以为某汽车在启动加速行驶时，虚拟仪表对其发动机实时转速测量的一组数据为例：

表1 虚拟仪表与物理仪表测量值比较

由上表可见，在PC上通过虚拟仪表显示的监控参数值，诸如发动机转速、汽油液位、发动机温度 、车灯状态等均和物理仪表基本吻合。即使在发动机转速较高，传感器测量精度受到影响的情况下，其误差仍在工程允许的范围之内（5%）。[4]

基于计算机的汽车虚拟仪表仿真系统通用性、实用性强，能够直接用于汽车、大载重量的农用运输车的仿真，也能够稍作改造以后，用于其他数字化行驶设备的仿真，具有一定的工程意义。

参考文献：

[1]崔孟河.大功率轮式汽车市场分析及2004年走势预测[J].汽车与农用运输车,2003,(6):41-42.

[2]汽车CAN总线简介[EB/OL]. /aei/jczs/75924.asp2006-4-27.

[3]杨乐平.LabVIEW程序设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2001.2-3.

[4]王海宝,吴光洁.基于车载微机系统的虚拟式汽车仪表研究[J].中国仪器仪表,2006,(8)：41-42.

本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。