虛擬數(shù)字式汽車儀表信息系統(tǒng)的研究與開發(fā)

汽車儀表是汽車與駕駛員進(jìn)行信息交流的窗口，也是汽車高尖技術(shù)的主要部分，各國(guó)一直在努力開發(fā)汽車儀表技術(shù)，并不斷取得新的進(jìn)展。汽車儀表正逐步向數(shù)字化和智能化方向發(fā)展，用數(shù)字化的虛擬儀表取代我國(guó)現(xiàn)階段普遍采用的電器式或電子式儀表已成為實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)化的一個(gè)重要課題。作者自主開發(fā)的虛擬數(shù)字式汽車儀表信息系統(tǒng)已成功地安裝到由武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院開發(fā)的Aspire純電動(dòng)概念車上進(jìn)行實(shí)車測(cè)試，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了車輛的定位導(dǎo)航、后視攝影、網(wǎng)絡(luò)通訊、影音娛樂及汽車黑匣子等功能。此樣車是虛擬數(shù)字式汽車式儀表的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，本文給出虛擬數(shù)字式汽車儀表信息系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、人機(jī)界面及基于LabVIEW的軟件實(shí)現(xiàn)。

　　一、虛擬數(shù)字式汽車儀表信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

　　虛擬數(shù)字式汽車儀表信息系統(tǒng)是將各種汽車電子技術(shù)集于一體的智能系統(tǒng)，包括智能儀表系統(tǒng)、車載導(dǎo)航系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)及車載黑匣子系統(tǒng)等，是各國(guó)汽車行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。

　　（一）數(shù)據(jù)采集技術(shù)

　　采集的汽車數(shù)據(jù)除導(dǎo)航用的陀螺儀和里程計(jì)等數(shù)據(jù)外，為使駕駛員了解車輛的狀況還需采集反映汽車主軸轉(zhuǎn)速、輪胎氣壓及溫度等汽車性能參數(shù)的數(shù)據(jù)。汽車數(shù)據(jù)采集模塊可選用的方式要依據(jù)實(shí)際狀況而定。

　?。ǘ〨SM通訊技術(shù)

　　要實(shí)現(xiàn)車輛的智能化，必須在車輛上建立網(wǎng)絡(luò)通訊功能。通訊網(wǎng)絡(luò)的選擇是關(guān)鍵，它決定系統(tǒng)的容量、可靠性和信息中心監(jiān)控覆蓋的范圍。通訊技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)車輛無線通訊、移動(dòng)辦公及網(wǎng)上沖浪等。

　?。ㄈ?shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)模塊

　　汽車各個(gè)主要設(shè)備的狀態(tài)信息、位置信息、速度信息及負(fù)荷等是判斷事故發(fā)生原因的重要信息，需要將停車前的歷史數(shù)據(jù)保存，為便于數(shù)據(jù)的輸出，采用非接觸的IC卡或移動(dòng)硬盤USB存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這就是汽車黑匣子要實(shí)現(xiàn)的功能。

　?。ㄋ模┨摂M數(shù)字式儀表的顯示技術(shù)

　　虛擬數(shù)字式儀表的信息量非常大，如采用傳統(tǒng)儀表的顯示方法顯示，車載的儀表數(shù)目將會(huì)不斷增多，使車輛儀表板顯得很擁擠，也會(huì)加大駕駛員的操作難度，分散駕駛員的注意力。用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的車載虛擬數(shù)字式儀表，將這些問題迎刃而解。它將所有的信息顯示集合在一個(gè)屏幕上，并以分界面的方法顯示，這樣將使駕駛員查看信息非常便利，取消眾多的儀表，也使車內(nèi)空間變得更加寬敞、舒適和美觀。

　　二、虛擬數(shù)字式汽車儀表信息系統(tǒng)的硬件組成及人機(jī)界面

　?。ㄒ唬┨摂M數(shù)字式汽車儀表信息系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

　　系統(tǒng)硬件的選用和組合原則為：充分考慮各硬件的兼容性和性價(jià)比；充分考慮系統(tǒng)的電磁兼容性，保證系統(tǒng)能夠在比較惡劣的電磁環(huán)境下正常工作；滿足系統(tǒng)的基本功能要求，并充分考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和精簡(jiǎn)性，預(yù)留若干可擴(kuò)展接口。

　　信息系統(tǒng)由PC機(jī)、外圍硬件設(shè)備、操作系統(tǒng)及用戶的應(yīng)用程序4部分組成。外圍硬件設(shè)備主要由液晶顯示器、觸摸屏、數(shù)字I/0數(shù)據(jù)采集卡、車輪轉(zhuǎn)速傳感器、蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、CCD攝像頭、電視卡、GPS接收器及無線上網(wǎng)卡等組成，虛擬數(shù)字式汽車儀表硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（二）虛擬數(shù)字式汽車儀表信息系統(tǒng)的人機(jī)界面

　　虛擬數(shù)字式汽車儀表信息系統(tǒng)集成了虛擬技術(shù)和數(shù)字技術(shù)，具備虛擬儀表、電子后視鏡、故障監(jiān)測(cè)、運(yùn)行記錄、GPS車載定位、多媒體影音、上網(wǎng)通訊及移動(dòng)辦公等多種功能。功能界面如圖2所示。

1．儀表與指示燈區(qū)

　　儀表與指示燈區(qū)顯示車速表、蓄電池電荷狀態(tài)表、蓄電池溫度表、照明與信號(hào)指示燈、警報(bào)信號(hào)指示燈及檔位指示燈。當(dāng)車速超過某一限定速度時(shí)，將發(fā)出超速語音提示。

　　2．運(yùn)行記錄區(qū)

　　運(yùn)行記錄區(qū)顯示帶復(fù)位按鈕的單程里程表、累計(jì)里程表、日期與時(shí)間及運(yùn)行記錄按鈕。單程里程表顯示單次行駛的里程，按下清零按鈕可使單程里程表回零；累計(jì)里程表顯示汽車?yán)塾?jì)總行駛里程；按下運(yùn)行記錄按鈕，則顯示汽車運(yùn)行的車速、里程、故障與報(bào)警歷史記錄（汽車黑匣子功能）。

　　3．程序控制區(qū)

　　程序控制區(qū)顯示如下程序的運(yùn)行按鈕：電子后視境、車載定位導(dǎo)航、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器、MP3播放器、無線電視和調(diào)頻收音機(jī)構(gòu)成的車載影音娛樂系統(tǒng)。

　　4．電子后視境區(qū)

　　電子后視境區(qū)顯示攝像頭所拍攝的汽車后方影像，以方便駕駛員觀察車后交通狀況。

　　5．定位導(dǎo)航

　　定位導(dǎo)航區(qū)顯示電子地圖，它利用GPS接收器接收的汽車定位信息在電子地圖上描繪汽車運(yùn)行軌跡。定位導(dǎo)航程序可提供靜態(tài)導(dǎo)航功能，能根據(jù)駕駛員提供的起點(diǎn)和終點(diǎn)名稱，自定確定最短行車路線。

　　三、虛擬數(shù)字式汽車儀表信息系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

　　整個(gè)系統(tǒng)效能的發(fā)揮除需要一個(gè)穩(wěn)定和高性能的硬件平臺(tái)外，軟件起著至關(guān)重要的作用。系統(tǒng)的各種功能及組合方式，人機(jī)界面的表現(xiàn)形式等等都是通過軟件來完成的。

本系統(tǒng)采用LabVIEW這種直觀的圖形程序語言，以一種很直觀的方法建立前面板人機(jī)界面和程序框圖，完成編程過程。前面板是用戶可以見到的，類似傳統(tǒng)儀器的操作面板，利用工具模板從控制模板中添加輸入控制器和輸出指示器，控制器和指示器種類可選擇。程序框圖是支持虛擬儀器實(shí)現(xiàn)其功能的核心，對(duì)程序框圖的設(shè)計(jì)涉及節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)端口和連線的設(shè)計(jì)。連線代表數(shù)據(jù)走向，節(jié)點(diǎn)則是函數(shù)、VI子程序、結(jié)構(gòu)或代碼接口。

 　　虛擬數(shù)字式汽車儀表信息系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)總體流程圖如圖3所示。

虛擬數(shù)字式汽車儀表信息系統(tǒng)的內(nèi)容十分豐富，為了使儀表的界面清晰、美觀和舒適，把車輛信息系統(tǒng)的內(nèi)容按顯示信息的特性和駕駛員的需求頻率分成不同的界面顯示。

　　虛擬數(shù)字式汽車儀表分界面的顯示操作是通過觸摸屏來實(shí)現(xiàn)的。通過手指觸摸主界面上相應(yīng)功能的軟按鈕，就可切換到所要查看的分界面。虛擬數(shù)字式汽車儀表信息系統(tǒng)分界面顯示如圖2所示。虛擬數(shù)字式汽車儀表具體功能的實(shí)現(xiàn)都是由軟件完成的，該軟件主要完成如下功能。

　（一）對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)的各功能板進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和初始化

　　1．?dāng)?shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)

　　NI公司生產(chǎn)的各種類型的數(shù)據(jù)采集卡使用非常方便，在編寫VI前，只需在LabVIEW的“Measurement＆Automation”驅(qū)動(dòng)軟件下，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置即可。

　　2．?dāng)?shù)據(jù)采集參數(shù)初始設(shè)置

　　要使數(shù)據(jù)采集卡正確地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能，必須根據(jù)實(shí)際測(cè)量的需要對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。待設(shè)置的參數(shù)主要有采集卡的設(shè)備號(hào)及地址碼，此外還有模擬信號(hào)輸入部分的設(shè)置項(xiàng)、A/D轉(zhuǎn)換部分的設(shè)置項(xiàng)、D/A轉(zhuǎn)換部分的設(shè)置項(xiàng)及DIO和計(jì)數(shù)器部分的設(shè)置項(xiàng)。

　?。ǘ?duì)各種傳感器信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理

　　數(shù)據(jù)采集和處理將通過傳感器轉(zhuǎn)換的模擬電壓信號(hào)或脈沖信號(hào)及開關(guān)量信號(hào)采集到數(shù)據(jù)采集卡的相應(yīng)通道，并進(jìn)行數(shù)字濾波、格式轉(zhuǎn)換、當(dāng)量運(yùn)算及單位換算等，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成能直接在顯示屏上顯示的數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)處理部分相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單，而數(shù)據(jù)采集是軟件編程的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)采集的信號(hào)有模擬量、開關(guān)數(shù)字量和脈沖數(shù)字量，數(shù)據(jù)采集的總體流程如圖4所示。

　　（三）定位導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)

　　1．定位導(dǎo)航的驅(qū)動(dòng)程序

　　由于導(dǎo)航模塊是外購(gòu)的集成板卡，廠家提供有C、C++和BASIC編寫的驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫(kù)，如何在LabVIEW環(huán)境下對(duì)它進(jìn)行調(diào)用，是使用外購(gòu)產(chǎn)品需要解決的問題。

　　LabVIEW解決這類問題有幾種方案，如直接端口I/O方式、調(diào)用CLF節(jié)點(diǎn)及調(diào)用CIN節(jié)點(diǎn)，在此選用CIN方式。CIN是LabVIEW中調(diào)用C源代碼的通用方法，C語言是目前公認(rèn)的功能較強(qiáng)大的程序語言，LabVIEW通過與C語言接口，可大大擴(kuò)展其整體功能。

　　CIN是位于LabVIEW框圖程序窗口中的一個(gè)功能節(jié)點(diǎn)，在功能模板Advanced子模板上，可以實(shí)現(xiàn)在LabVIEW中引入C語言源代碼。用戶可將需調(diào)用的外部代碼編譯成LabVIEW能夠識(shí)別的格式后與此節(jié)點(diǎn)相連，當(dāng)此節(jié)點(diǎn)執(zhí)行時(shí)，LabVIEW將自動(dòng)調(diào)用與此節(jié)點(diǎn)相連的外部代碼，并向CIN傳遞特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由于LabVIEW中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式遵循了C語言中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式，并且二者完全相同，使用CIN可獲得較高程序效率。CIN節(jié)點(diǎn)需要調(diào)用.lsb格式的文件，利用LabVIEW自帶的編譯工具CINTools可以將Visual C++源代碼編譯成CIN節(jié)點(diǎn)能夠識(shí)別的.lsb格式。

　　其他外購(gòu)模塊（攝像頭、通訊卡、電視卡等）的驅(qū)動(dòng)方法都用此方式進(jìn)行。

　　2．定位導(dǎo)航的界面

　　在外購(gòu)GPS裝置時(shí)附帶有電子地圖軟件，安裝并用LabVIEW鏈接后，在虛擬數(shù)字式汽車儀表信息系統(tǒng)的主界面中點(diǎn)擊導(dǎo)航軟鍵，就可調(diào)用GPS導(dǎo)航界面。

　?。ㄋ模┖笠晹z像和網(wǎng)絡(luò)通訊的實(shí)現(xiàn)

　　后視攝像和網(wǎng)絡(luò)通訊模塊為外購(gòu)模塊，外購(gòu)模塊廠家都提供了C源代碼的驅(qū)動(dòng)程序，我們所做的工作只需在LabVIEW環(huán)境中調(diào)用它并進(jìn)行軟件鏈接。

　　（五）影音娛樂的實(shí)現(xiàn)

　　影音娛樂部分包括電視和MP3。其中電視是外購(gòu)的TV模塊，其實(shí)現(xiàn)方法也與定位導(dǎo)航驅(qū)動(dòng)調(diào)用相似，而MP3是通過調(diào)用播放軟件來實(shí)現(xiàn)的。

　　（六）汽車黑匣子功能的實(shí)現(xiàn)

　　本虛擬數(shù)字式汽車儀表是通過軟件來實(shí)現(xiàn)汽車行駛記錄儀—黑匣子的功能的，這也是本系統(tǒng)與傳統(tǒng)儀表系統(tǒng)相比所具有的優(yōu)勢(shì)。

汽車黑匣子需要在發(fā)生危險(xiǎn)事故的最后一段時(shí)間內(nèi)，記錄車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、關(guān)鍵安全部件的動(dòng)作狀態(tài)以及駕駛員操作行為等數(shù)據(jù)信息。在事故處理階段，這些信息將用來部分或全部再現(xiàn)事故發(fā)生的過程，分析判斷事故產(chǎn)生的原因，這就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和查詢。用LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬儀器軟件可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)查詢的功能。

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：將采樣數(shù)據(jù)保存至文件，可以存為文本文件或者電子表格文件，也可以存為L(zhǎng)abVIEW特有的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)記錄形式的文件，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)記錄的文件只能在本系統(tǒng)中打開。

　　數(shù)據(jù)查詢：讀取以前保存的數(shù)據(jù)記錄文件。

　　四、結(jié)論

　　該虛擬數(shù)字式儀表經(jīng)過多次的實(shí)車測(cè)試，證明此系統(tǒng)安全可靠，顯示數(shù)據(jù)在精度上能滿足實(shí)際行車需要。

　　綜上所述虛擬數(shù)字式汽車儀表的應(yīng)用，使儀表的讀數(shù)更加清晰和直觀、信息量更大、智能化程度更高、功耗低及開發(fā)周期短，相對(duì)傳統(tǒng)的車載設(shè)備成本上有很大優(yōu)勢(shì)，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)然這一領(lǐng)域在我國(guó)尚處于起步階段，要成為真正實(shí)用階段還有很多工作要做，但隨著技術(shù)的成熟，必將對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。