虚拟数字式汽车仪表信息系统的研究与开发

汽车仪表是汽车与驾驶员进行信息交流的窗口，也是汽车高尖技术的主要部分，各国一直在努力开发汽车仪表技术，并不断取得新的进展。汽车仪表正逐步向数字化和智能化方向发展，用数字化的虚拟仪表取代我国现阶段普遍采用的电器式或电子式仪表已成为实现车辆自动化的一个重要课题。作者自主开发的虚拟数字式汽车仪表信息系统已成功地安装到由武汉理工大学汽车工程学院开发的Aspire纯电动概念车上进行实车测试，并在此基础上实现了车辆的定位导航、后视摄影、网络通讯、影音娱乐及汽车黑匣子等功能。此样车是虚拟数字式汽车式仪表的一个应用实例，本文给出虚拟数字式汽车仪表信息系统的硬件构成、人机界面及基于LabVIEW的软件实现。

　　一、虚拟数字式汽车仪表信息系统的关键技术

　　虚拟数字式汽车仪表信息系统是将各种汽车电子技术集于一体的智能系统，包括智能仪表系统、车载导航系统、故障诊断系统及车载黑匣子系统等，是各国汽车行业关注的热点。

　　（一）数据采集技术

　　采集的汽车数据除导航用的陀螺仪和里程计等数据外，为使驾驶员了解车辆的状况还需采集反映汽车主轴转速、轮胎气压及温度等汽车性能参数的数据。汽车数据采集模块可选用的方式要依据实际状况而定。

　　（二）GSM通讯技术

　　要实现车辆的智能化，必须在车辆上建立网络通讯功能。通讯网络的选择是关键，它决定系统的容量、可靠性和信息中心监控覆盖的范围。通讯技术的实现可实现车辆无线通讯、移动办公及网上冲浪等。

　　（三）数据转储模块

　　汽车各个主要设备的状态信息、位置信息、速度信息及负荷等是判断事故发生原因的重要信息，需要将停车前的历史数据保存，为便于数据的输出，采用非接触的IC卡或移动硬盘USB存储数据。这就是汽车黑匣子要实现的功能。

　　（四）虚拟数字式仪表的显示技术

　　虚拟数字式仪表的信息量非常大，如采用传统仪表的显示方法显示，车载的仪表数目将会不断增多，使车辆仪表板显得很拥挤，也会加大驾驶员的操作难度，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，将这些问题迎刃而解。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，取消众多的仪表，也使车内空间变得更加宽敞、舒适和美观。

　　二、虚拟数字式汽车仪表信息系统的硬件组成及人机界面

　　（一）虚拟数字式汽车仪表信息系统的硬件构成

　　系统硬件的选用和组合原则为：充分考虑各硬件的兼容性和性价比；充分考虑系统的电磁兼容性，保证系统能够在比较恶劣的电磁环境下正常工作；满足系统的基本功能要求，并充分考虑系统的可扩展性和精简性，预留若干可扩展接口。

　　信息系统由PC机、外围硬件设备、操作系统及用户的应用程序4部分组成。外围硬件设备主要由液晶显示器、触摸屏、数字I/0数据采集卡、车轮转速传感器、蓄电池监测系统、CCD摄像头、电视卡、GPS接收器及无线上网卡等组成，虚拟数字式汽车仪表硬件系统结构如图1所示。

（二）虚拟数字式汽车仪表信息系统的人机界面

　　虚拟数字式汽车仪表信息系统集成了虚拟技术和数字技术，具备虚拟仪表、电子后视镜、故障监测、运行记录、GPS车载定位、多媒体影音、上网通讯及移动办公等多种功能。功能界面如图2所示。

1．仪表与指示灯区

　　仪表与指示灯区显示车速表、蓄电池电荷状态表、蓄电池温度表、照明与信号指示灯、警报信号指示灯及档位指示灯。当车速超过某一限定速度时，将发出超速语音提示。

　　2．运行记录区

　　运行记录区显示带复位按钮的单程里程表、累计里程表、日期与时间及运行记录按钮。单程里程表显示单次行驶的里程，按下清零按钮可使单程里程表回零；累计里程表显示汽车累计总行驶里程；按下运行记录按钮，则显示汽车运行的车速、里程、故障与报警历史记录（汽车黑匣子功能）。

　　3．程序控制区

　　程序控制区显示如下程序的运行按钮：电子后视境、车载定位导航、互联网浏览器、MP3播放器、无线电视和调频收音机构成的车载影音娱乐系统。

　　4．电子后视境区

　　电子后视境区显示摄像头所拍摄的汽车后方影像，以方便驾驶员观察车后交通状况。

　　5．定位导航

　　定位导航区显示电子地图，它利用GPS接收器接收的汽车定位信息在电子地图上描绘汽车运行轨迹。定位导航程序可提供静态导航功能，能根据驾驶员提供的起点和终点名称，自定确定最短行车路线。

　　三、虚拟数字式汽车仪表信息系统的软件实现

　　整个系统效能的发挥除需要一个稳定和高性能的硬件平台外，软件起着至关重要的作用。系统的各种功能及组合方式，人机界面的表现形式等等都是通过软件来完成的。

本系统采用LabVIEW这种直观的图形程序语言，以一种很直观的方法建立前面板人机界面和程序框图，完成编程过程。前面板是用户可以见到的，类似传统仪器的操作面板，利用工具模板从控制模板中添加输入控制器和输出指示器，控制器和指示器种类可选择。程序框图是支持虚拟仪器实现其功能的核心，对程序框图的设计涉及节点、数据端口和连线的设计。连线代表数据走向，节点则是函数、VI子程序、结构或代码接口。

 　　虚拟数字式汽车仪表信息系统的软件设计总体流程图如图3所示。

虚拟数字式汽车仪表信息系统的内容十分丰富，为了使仪表的界面清晰、美观和舒适，把车辆信息系统的内容按显示信息的特性和驾驶员的需求频率分成不同的界面显示。

　　虚拟数字式汽车仪表分界面的显示操作是通过触摸屏来实现的。通过手指触摸主界面上相应功能的软按钮，就可切换到所要查看的分界面。虚拟数字式汽车仪表信息系统分界面显示如图2所示。虚拟数字式汽车仪表具体功能的实现都是由软件完成的，该软件主要完成如下功能。

　（一）对计算机内的各功能板进行驱动和初始化

　　1．数据采集卡的驱动

　　NI公司生产的各种类型的数据采集卡使用非常方便，在编写VI前，只需在LabVIEW的“Measurement＆Automation”驱动软件下，进行相关参数的设置即可。

　　2．数据采集参数初始设置

　　要使数据采集卡正确地实现数据采集的功能，必须根据实际测量的需要对一些参数进行设置。待设置的参数主要有采集卡的设备号及地址码，此外还有模拟信号输入部分的设置项、A/D转换部分的设置项、D/A转换部分的设置项及DIO和计数器部分的设置项。

　　（二）对各种传感器信号进行转换和处理

　　数据采集和处理将通过传感器转换的模拟电压信号或脉冲信号及开关量信号采集到数据采集卡的相应通道，并进行数字滤波、格式转换、当量运算及单位换算等，将数据转换成能直接在显示屏上显示的数据。

　　数据处理部分相对来说比较简单，而数据采集是软件编程的关键，数据采集的信号有模拟量、开关数字量和脉冲数字量，数据采集的总体流程如图4所示。

　　（三）定位导航的实现

　　1．定位导航的驱动程序

　　由于导航模块是外购的集成板卡，厂家提供有C、C++和BASIC编写的驱动函数库，如何在LabVIEW环境下对它进行调用，是使用外购产品需要解决的问题。

　　LabVIEW解决这类问题有几种方案，如直接端口I/O方式、调用CLF节点及调用CIN节点，在此选用CIN方式。CIN是LabVIEW中调用C源代码的通用方法，C语言是目前公认的功能较强大的程序语言，LabVIEW通过与C语言接口，可大大扩展其整体功能。

　　CIN是位于LabVIEW框图程序窗口中的一个功能节点，在功能模板Advanced子模板上，可以实现在LabVIEW中引入C语言源代码。用户可将需调用的外部代码编译成LabVIEW能够识别的格式后与此节点相连，当此节点执行时，LabVIEW将自动调用与此节点相连的外部代码，并向CIN传递特定数据结构。由于LabVIEW中数据的存储格式遵循了C语言中数据的存储格式，并且二者完全相同，使用CIN可获得较高程序效率。CIN节点需要调用.lsb格式的文件，利用LabVIEW自带的编译工具CINTools可以将Visual C++源代码编译成CIN节点能够识别的.lsb格式。

　　其他外购模块（摄像头、通讯卡、电视卡等）的驱动方法都用此方式进行。

　　2．定位导航的界面

　　在外购GPS装置时附带有电子地图软件，安装并用LabVIEW链接后，在虚拟数字式汽车仪表信息系统的主界面中点击导航软键，就可调用GPS导航界面。

　　（四）后视摄像和网络通讯的实现

　　后视摄像和网络通讯模块为外购模块，外购模块厂家都提供了C源代码的驱动程序，我们所做的工作只需在LabVIEW环境中调用它并进行软件链接。

　　（五）影音娱乐的实现

　　影音娱乐部分包括电视和MP3。其中电视是外购的TV模块，其实现方法也与定位导航驱动调用相似，而MP3是通过调用播放软件来实现的。

　　（六）汽车黑匣子功能的实现

　　本虚拟数字式汽车仪表是通过软件来实现汽车行驶记录仪—黑匣子的功能的，这也是本系统与传统仪表系统相比所具有的优势。

汽车黑匣子需要在发生危险事故的最后一段时间内，记录车辆的运动状态、关键安全部件的动作状态以及驾驶员操作行为等数据信息。在事故处理阶段，这些信息将用来部分或全部再现事故发生的过程，分析判断事故产生的原因，这就需要对数据进行存储和查询。用LabVIEW设计的虚拟仪器软件可实现数据存储和数据查询的功能。

　　数据存储：将采样数据保存至文件，可以存为文本文件或者电子表格文件，也可以存为LabVIEW特有的动态数据记录形式的文件，动态数据记录的文件只能在本系统中打开。

　　数据查询：读取以前保存的数据记录文件。

　　四、结论

　　该虚拟数字式仪表经过多次的实车测试，证明此系统安全可靠，显示数据在精度上能满足实际行车需要。

　　综上所述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。