基于Labview的汽车仪表模拟实现.docx
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基于Labview的汽车仪表模拟实现
摘要
在经济的不断发展，科学技术日新月异的今天，汽车的种类还有数量已经和经济发展同样的速度成长起来。
作为汽车与人之间的沟通，汽车仪表起着不可或缺的作用，一个国家的汽车需求总量，主要受其经济增长速度、城市化水平、人口密度及数量、国家产业结构等综合因素的影响。
在全球经济持续低迷的情况下，我国国民经济仍然以较高的速度持续增长，城市化水平不断提高。
这从客观上导致了我国汽车行业的空前繁荣景象，我国已经成为全球最大的汽车市场。
这些年来，随着经济建设的持续高速发展，我国人均汽车拥有量越来越大。
针对汽车仪表发展的新趋势,本文对国内汽车仪表行业的现状和发展远景进行了概述，针对性的研究了基于LabVIEW技术建立虚拟汽车仪表系统的构成，并且系统的给出了一种可行性方案，分别从LabVIEW软件实现方法软件的方面进行了阐述。
本文设计出来的汽车虚拟仪表系统可以实现日期/时间、总里程、当前速度、转速、温度、油箱存油量等信息的显示。
关键词：
LabVIEW；汽车仪表盘；虚拟仪器
ABSTRACT
Inthedevelopmentofeconomy,scienceandtechnologychangerapidlytoday,cartypeandnumberandsamespeedupeconomicdevelopment.Asbetweenthecarandthehumancommunication,automobileinstrumentplaysanindispensablerole,totaldemandofacountry,ismainlyinfluencedbythefactorsoftheeconomicgrowthrate,thelevelofcity,populationdensityandthenumberofnationalindustrystructure,etc..Intheglobaleconomicdownturn,China'snationaleconomycontinuestogrowwithhighrate,continuouslyimprovethelevelofcity.ThisledtoChina'sautomobileindustryanunprecedentedprosperityfromtheobjective,Chinahasbecometheworld'slargestcarmarket.Theseyears,withthesustainedandrapiddevelopmentofeconomicconstruction,China'spercapitaautomobilemoreandmore.Thenewtrendforthedevelopmentoftheautomobileinstrument,visionstatusanddevelopmentofthedomesticautomobileinstrumentindustryweresummarized,basedontheestablishmentofvirtualinstrumenttechnologyLabVIEWsystembasedonthestudy,andthesystemprovidesafeasiblescheme,aredescribedrespectively,realizationmethodofsoftwareLabVIEWsoftwarefromtheaspectsof.Virtualinstrumentsystemthispaperdesignedcandisplaydate/time,mileage,currentspeed,speed,temperature,fueloilandotherinformation
KeywordsLabVIEW；Cardashboard；virtualinstrument
1引言
汽车仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的窗口,也是汽车高尖技术的主要部分,各个国家一直在努力开发汽车仪表技术,并不断取得新的进展。
我国汽车产业正在蓬勃发展，汽车行业步入快速稳定增长期。
整个行业在经2002年的爆发，05年的恢复性调整以后，自2006年以来已经步入一个长达5-8年（甚至更长）的稳定快速增长期。
2007年1-5月产销两旺，根据中汽协的统计数据，国产汽车销量同比增长22.03%，其中乘用车销售2,572,650辆，同比增长21.09%。
2007年我国汽车市场产销量将达830万辆，总体增长率达16.3%，更促使最近几年我国汽车保有量持续上升，截至2006年年底，我国民用汽车的保有量从1998年不足1500万辆，一举跃升为3568万辆，比2005年增长了12.27%，如此一来，就为我国汽车备件市场提供了庞大的市场需求空间。
然而汽车仪表正逐步向智能化和数字化方向发展,用数字化的虚拟仪表取代我国现阶段普遍采用的电子式或电器式仪表已成为实现车辆自动化的一个重要课题。
利用虚拟仪器技术模拟汽车仪表盘,设计综合数据采集、信号分析、仪器面板设计等多项内容的虚拟汽车仪表盘。
利用LabVIEW软件产生虚拟转速、耗油、速度等模拟和数字信号源,然后再进行模拟和数字信号的采集和分析,转换建立函数模型在虚拟仪表盘上显示发动机转速、汽车车速、油耗量、温度变化及转向灯等信息。
利用虚拟仪器技术模拟汽车仪表盘,不仅可以完成先进汽车仪表盘的功能,而且还可以免去汽车机械及电子器件,降低成本,提高可研性,在计算机测控技术、汽车电子技术等课程的教学及开放实验中具有广泛的实用价值。
2研究的目的、意义以及主要内容
2.1研究的目的和意义
我国汽车仪表经历了第一代机械式仪表，第二代电气式仪表，第三代模拟电路电子式仪表，现在正在向第四代全数字汽车仪表迈进。
然而随着电子控制系统单元（ECU）在汽车上广泛应用，汽车电子化程度要求越来越高。
电控系统的增加虽然提高了汽车的动力性、经济性和舒适性，但是复杂的电路，会导致车身布线庞大而且很复杂，安装空间出现短缺。
为了提高电控单元信息利用率，要求大量的数据信息能在不同的电子单元间可以共享，汽车综合控制系统中大量的控制信号也需要实时交换，不同功能电子控制系统单元间的数据通信变得越来越重要。
因此对电子控制系统单元的设计提出了越来越高的要求，不仅要求通信网络应具有通信速率高、精确高、可靠性高，而且在控制模块上也应具有控制实效性高、空间小等优点。
目前国内汽车仪表行业在整体上仍滞后于整车的发展，“散、乱、差”的状况尚未改变，与国外相比还是有很大的差距，表现在产品技术水平过低，造型比较单调，产品质量可靠性和耐久性也比较差，而且制造工艺落后，产品检测不完善，数字化程度低等方面。
由于当今世界汽车排放、安全、节能和使用性等舒适性能不断提高，使得汽车的电子控制程度要求也越来越高。
汽车电子控制装置必须迅速、准确地处理各种信息，并通过电子仪表显示出来，使驾驶员及时了解并掌握汽车的运行状态和妥善处理各种汽车的情况。
现在，汽车的故障诊断、全球GPS导航和定位系统等大量复杂的信息服务系统已开始大量安装到汽车上，汽车电子仪表作为信息显示终端能够完成这些任务。
汽车电子仪表显示装置不仅能提供大量复杂的信息服务，而且还有精度高和高可靠性、一表多用、外形设计美观、自由度大、满足小型轻量化要求等特点，因此电子仪表显示装置已成为现代汽车的发展新潮流，具有非常广阔的发展空间。
2.2研究的主要内容
本课题研究的主要内容是利用LabVIEW软件可以显示汽车速度、发动机转速、远近光灯、左右方向灯、油量表、发动机温度，根据系统时间改变而改变进行汽车的车速、里程表、温度计、燃油表、转速表等数值。
3汽车仪表盘系统功能分析
汽车仪表是用以监测汽车各系统工作状况的装置，如当前车速、里程显示、油量消耗、油耗警告等。
驾驶员能通过汽车仪表随时掌握汽车各部件的工作状态，为正确使用和维修发动机提供依据和指南。
汽车仪表盘主要有以下几大功能：
3.1车速表
车速表是用来指示汽车车速的装置。
其单位是公里／小时（表面上标km／h）。
表上的刻度线表示速度，指针指到不同的刻度线表示不同的速度。
车速表用于查看你的行驶速度的应用，支持公里/小时或英里/小时两种单位。
车速表功能需要较强的GPS信号支持，最高可显示220公里/小时的车速。
3.2里程表
里程表是记录汽车累计行驶里程数的装置，汽车车仪表板中最显眼的是车速里程表，它表示汽车的时速，单位是km/h（公里/小时）最小单位为米。
汽车里程表实际上由两个表组成，一个是里程表，另一个就是上面所说的车速表。
3.3燃油表
燃油表在发动机上可以显示油量的指示表可以是指针的也可以是数字显示的燃油表是汽车信号系统的仪表装置之一，它用来显示和监控燃油箱燃油的储备量及燃油的消耗量用来指示燃油箱内的存油量，其单位是升（L），表上的刻度线表示存油量，指针指到不同的刻度线表示不同的存油量并在表盘上显示相应的数据。
若启动引擎后，指针指向与库存油量相对应的位置，否则指针复零。
3.4转速表
转速表是机械行业必备的仪器之一，用来测定电机的转速、线速度或频率。
转速表是用来指示发动机转速的装置，转速表单位是r/min，即显示发动机每分钟转多少转。
为选择正确的换挡时机提供参考，使发动机保持额定转速，以减少发动机的磨损并减少油耗。
3.5温度表
汽车水温传感器的内部是一个半导体热敏电阻，温度愈低，电阻愈大;反之电阻愈小，安装在发动机缸体或缸盖的水套上，与冷却水直接接触。
从而测得发动机冷却水的温度汽车冷却系统的功能是使发动机在所有工况下都保持在适当的温度范围内。
冷却系统既要防止发动机过热，也要防止冬季发动机过冷，温度表的作用就是为驾驶员及时的提供冷却液温度指标，反映发动机的工况信息。
3.6左右转向灯
汽车转向灯是指在车辆转弯时，起到警示车前或车后的行人或车辆的作用的灯它有前、后、侧转向信号灯之分，一般位于车辆的四角。
汽车转弯时，发出明暗交替的闪光信号，以表示汽车向左或向右转向行驶。
3.7时间
在这里是用来显示当前时间。
4车辆虚拟仪表系统
4.1虚拟仪表系统的优势
随着汽车需要显示的信息的增加，用传统仪表的显示方法显示信息已经不能满足人们的要求了,车载的仪表数目将会不断增多,使车辆仪表板显得很拥挤复杂,也使驾驶员的操作难度增加了很多,这样会分散驾驶员的注意力。
用虚拟仪器技术构建的车载虚拟数字式仪表,能把这些问题迎刃而解。
它将所有的信息显示集合在一个屏幕上,并以分界面的方法显示,这样将使驾驶员查看信息非常便利,取代众多的仪表,也使车内空间变得更加宽敞、舒适和美观。
4.2虚拟仪表系统的实现步骤
在现代汽车智能数字仪表的开发过程中，数字仪表所需要采集的信息量比较多，各种各样车型的信息参数差别比较大，这些问题的存在给仪表的实车测试和参数标定带来了一定的困难。
为了在开发过程中能够快速有效的测试系统的各项功能，提高系统开发效率，我们设计利用LabVIEW对汽车上的各种参数信息进行模拟测试，快速的对设计仪表进行全面的测试，节约时间和成本。
对此设计了两个步骤，包括信号采集控制与处理、仪表盘输出。
4.2.1信号采集与处理
将实际采集到的汽车行驶的数据用LabVIEW进行仿真处理然后做对比,作为实验的源参量,并计算得汽车仪表盘上显示的相关参数与实际的误差。
4.2.2仪表盘输出
将计算后的转速、速度、油耗、温度、里程等参数通过虚拟仪表盘输出。
然后与实际在汽车上搜集的数据进行对比，看看转速，车速等是否误差不大。
5系统软件介绍
本设计采用LabVIEW软件进行开发设计。
LabVIEW是美国NI公司的一种基于G语言的虚拟仪器软件开发工具。
它的显著特点是：
采用简单易学的图形化编程，提供众多的设备驱动程序和可供用户直接调用且功能强大的函数库和Windows动态链接库函数，实现多线程编程等高级功能。
并提供灵活的程序调试手段，既可以设置断点又可以设置探针，在程序运行中观察数据流的变化。
LabvIEW编写的程序叫虚拟仪器程序，包括前面板设计和程序图设计2部分。
软前面板代替常规仪器的控制面板，基本由开关、旋钮、表头、显示器等其他部件组成的一个直观视角图。
仪器的程序图设计，是根据仪器的功能来要求，利用虚拟仪器开发平台提供的子模板，确定程序的流程图、处理算法和所实现的技术方法。
流程图与每个仪器的前面板相对应，用户能够直观的通过前面板，用鼠标或控件操作仪器。
LabVIEW具有功能强大的函数模块库，特别适用于测试和控制系统的开发。
结合NI的硬件模块，能够方便的进行采集和分析相关测试数据。
考虑到仪表整体功能测试和模块功能测试的需要，整个流程图主要包括前面模块和程序模板和各个功能测试模块。
根据信号类型将仪表功能测试分为：
车速表测试模块、发动机转速表测试模块、燃油表测试模块、水温表测试模块等主要功能模块。
5.1界面模块
通过该界面实现车速表、转速表、水温表、燃油表、里程指示以及各种报警信号等信息显示。
经过初步设想之后，以下面三种参考界面（图1、2、3所示）。
图1里程表与温度
图2转向灯
图3车速表和转速表
图1所示方案界面过于简单，并且各种显示模块过于集中，整体感觉单调，缺少美感。
图2所示方案布局又过于散乱，排列各种显示模块所需的空间较大，在实践中会大大增加成本。
经过综合考虑，只有图3所示的方案既兼顾到美观、易读的使用方便性又满足了降低实际生产成本的要求。
5.2LabVIEW编程环境
LabVIEW程序包括前面板（用户界面）和后面板（程序框图）。
软件包括三种选板；
（1）控件选板（为前面板添加控件）；
（2）函数选板（在程序框图中添加函数或数据等）；
（3）工具选板（选择各种编辑工具，前面板和后面板都用到）。
5.3设计程序构想思路
5.3.1LabVIWE启动界面
根据书本用的是LabVIEW8.20的版本，启动界面如图4所示：
图4LabVIEW的启动界面
5.3.2前面板和程序框图
LabVIEW程序被称为VI，扩展名默认为.vi。
在前面板上可以选择各种控件，在程序面板可以选择各种函数程序，通过前面板的布局的各个控制件来控制程序面板的各个函数达到一种预期的结果，前面板图和程序框图如图5所示:
图5前面板和程序框图
5.3.3控件选板
控件选板在前面板显示，它包含创建前面板时可用的全部对象。
控件选板中的基本常用控件可以以现代（modern）、经典（classic）和系统（system）三种风格显示。
选择主菜单View->ControlsPalette选项或右击前面板空白处就可以显示控件选板。
如图6所示：
图6控件选板图
5.3.4函数选板
函数选板只能在编辑程序框图时使用，与控件选板的工作方式大体相同。
创建框图程序常用的VI和函数对象都包含在该选板中。
选择View->FunctionsPalette或右击框图面板空白处就可以显示函数选板。
如图7所示;
图7函数选板
5.3.5设计思路
以生活中大家常见的汽车上的仪表为参考模板，利用LabVIEW软件分别在前面板和程序框图，设计一个汽车油门，档位，车速，和发动机转速的模拟。
在这里要建立2个簇，一个用来装控制件，另一个用来装函数程序，将控制件那个簇进行函数打包形成打包函数，而另一个函数程序将簇用来解压形成解包函数，以达到一种同步的状态，这样控制件就能操控控制件对应的函数，程序设计前模板图如图8所示：
图8设计构想图
6各功能模块程序功能测试
6.1车速表模块
车速表的测试需要预先了解设定目标车型的特征参数，如车辆特征系数、车速传感器的传感系数等，然后通过将数据直接赋予前面板的各个控制件参数。
在通过前面板的直观显示汽车的车速，可以通过手动进行调整汽车的档位油门来改变车速，但是车速信号具备超速报警提示功能，根据设定的超速门限值，高于该门限值时，通过主界面前面板上的超速报警灯闪烁来提示。
测试过程也可以手动进行，测试结果存档以备查询。
根据实际采集到的数据，将车速表指示范围设定为0～300km/h，并设置当速度超过240km/h时发出超速报警。
车速表前面板设计如图9所示，车速表程序框图如图10所示。
图9车速表前面板
图10车速表程序框图
6.2发动机转速表模块
发动机转速表测试模块类似于车速表测试模块，区别在于它的特征参数不同。
根据特定车型的情况，通过将数据直接赋予前面板的各个控制件将发动机转速通过LabVIEW直观的表现出来，然后对其进行测试。
根据采集到的数据将转速表指示范围设定在0～8000r/min，并设置当速度超过6000r/min时发出转速过高报警，发动机转速表前面板设计如图11所示，发动机转速表部分程序图如图12所示。
图11发动机转速表前面板
图12转速表部分程序框图
6.3燃油表的模块
燃油表的测试需要预先设定目标车型的燃油测试范围以及燃油门限报警值，然后按照测试要求开始测试。
根据设定的燃油门限值，低于该门限值时，通过主界面前面板上的燃油报警灯闪烁提示。
测试过程可以手动／自动进行。
根据实际情况将燃油表表指示范围设定在0～1，表示不同的油位，并设置当油位低于0.2
是发出燃油不足报警，将由LabVIEW前面板控件显示数据。
燃油表前面板如图13所示，燃油表部分程序框图如图14所示
图13燃油表前面板
图14燃油表部分程序框图
6.4温度表的模块
根据实际车型行驶过程中的温度变化采集需要的数据，通将温度表指示范围设定在50～130℃，并设置当温度超过110℃或小于50℃时发出温度异常报警，温度表前面板设计如图15所示，温度表部分程序框图如图16所示。
图15温度表前面板
图16温度表部分程序框图
6.5时间显示模块
时间显示模块用来显示当前时间，方便驾驶员读取。
时间显示程序部分程序框图如图17所示。
图17时间显示程序部分程序框图
6.6左右转向灯模块
左右转向灯模块如图18所示。
图18左右转向灯模块
7设计总结
7.1程序调试步骤
（1）根据原理框图设计程序；
（2）检查程序接线和各个判断框对应情况；
（3）根据情况分析实验结果。
7.2程序结果图见附录B
7.3结果分析
调试成功可以看到汽车档位、油门、车速、还有发动机转速和燃油表值之间的关系，还有转弯时的左右转向灯的控制。
这里采用的调试油门、档位、转向灯都是手动调试。
运行状态：
运行开始时提升档位和油门，可以看到汽车的车速和发动机的转速提高了。
这时燃油表值开始下降，因为发动机的转速提高是通过油燃烧转换的能量提高，随着车速的提高，档位也要提升，消耗的油量就会增大，当遇到转弯或者红灯时候我们要减速或者停车，这时候松开油门和降低档位慢慢踩煞车，这时候汽车的车速和发动机的转速会下降，燃油表值消耗会减少，转弯的时候转向灯左转右转看情况。
通过测试可以表达一个简单的仪表盘的数据模拟。
可以看附录演示截图。
结束语
采用LabVIEW软件系统，在进行具体的软件设计之前先复习了相关的专业知识。
认真思考了设计思路让我们在短期内构建了一套汽车数字仪表产品开发、测试、评估多功能于一体的测试平台，该套测试系统能够快速准确的完成对被测仪表的各项功能测试，并且该系统具备可扩展性，可以很方便的移植到其他产品的测试方案中，为我们后续汽车电子产品的研发积累了测试经验。
虽然我们在课堂上所学到的知识亲自去构思、设计虽然拙作还不成熟、不完善，但收获还是很多的，学会了在复杂的问题面前怎样去分析，找到问题的关键所在，而且努力去寻找解决的方法。
虚拟数字式汽车仪表的应用，使仪表的读数更加清晰和直观、信息量更大、智能化程度更高、功耗低及开发周期短，相对传统的车载设备成本上有很大优势，因此具有广泛的应用前景。
当然这一领域在我国尚处于起步阶段，要成为真正实用阶段还有很多工作要做，但随着技术的成熟，必将对汽车产业产生深远的影响。
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