“汽車轉(zhuǎn)向與危險(xiǎn)警報(bào)燈電路”虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

武照云 河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

李麗 河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院

● 引言

隨著汽車上電器與電控設(shè)備的增多，電路故障在汽車整車故障中所占的比例越來(lái)越高。汽車電路實(shí)訓(xùn)的目的是加深學(xué)生對(duì)汽車相關(guān)電路的理解，使學(xué)生能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)對(duì)故障發(fā)生的原因進(jìn)行分析，并且會(huì)使用萬(wàn)用表、示波器等儀器對(duì)電路進(jìn)行故障檢測(cè)。由于汽車電路通常比較復(fù)雜，所以相配套的課程實(shí)訓(xùn)設(shè)備往往費(fèi)用比較昂貴，而且日常維護(hù)成本較高，長(zhǎng)時(shí)間使用后還會(huì)出現(xiàn)設(shè)備老化等問(wèn)題，這些都給高校的汽車電路實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)造成了很多困難和問(wèn)題。

運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)輔助完成高校的實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)課程，是近年來(lái)我國(guó)高校教育信息化領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)方向。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可以構(gòu)造出一個(gè)虛擬的實(shí)訓(xùn)環(huán)境或設(shè)備，學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)或手機(jī)等終端即可進(jìn)行虛擬仿真實(shí)訓(xùn)，該方式能夠有效降低課程教學(xué)對(duì)高昂實(shí)訓(xùn)設(shè)備的依賴，并且實(shí)施方式自由靈活，可以極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有效解決傳統(tǒng)分組實(shí)訓(xùn)模式下個(gè)別學(xué)生吃“大鍋飯”的弊端。

基于此，本文以一種常見(jiàn)的汽車電路——汽車轉(zhuǎn)向與危險(xiǎn)警報(bào)燈電路為研究對(duì)象，研究汽車電路故障診斷的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法。

● 汽車轉(zhuǎn)向與危險(xiǎn)警報(bào)燈電路實(shí)訓(xùn)教學(xué)

汽車轉(zhuǎn)向燈與危險(xiǎn)警報(bào)燈是汽車中使用頻率最高的燈光之一，如在汽車起步、轉(zhuǎn)彎或變換車道時(shí)，需要打開轉(zhuǎn)向燈以表示汽車的行駛趨向，提醒周圍車輛和行人注意；當(dāng)接通危險(xiǎn)警報(bào)開關(guān)時(shí)，所有轉(zhuǎn)向燈同時(shí)閃爍，表示車輛遇到緊急情況，提醒其他車輛避讓。因此，轉(zhuǎn)向與危險(xiǎn)警報(bào)燈能否正常工作對(duì)汽車行駛的安全性具有重要影響。

汽車轉(zhuǎn)向與危險(xiǎn)警報(bào)燈電路通常由閃光繼電器、轉(zhuǎn)向開關(guān)、危險(xiǎn)警報(bào)燈開關(guān)、轉(zhuǎn)向燈和轉(zhuǎn)向指示燈等組成，如下頁(yè)圖1所示。該電路的常見(jiàn)故障現(xiàn)象主要包括轉(zhuǎn)向燈不亮、危險(xiǎn)警報(bào)燈不亮、轉(zhuǎn)向燈與危險(xiǎn)警報(bào)燈都不亮、左轉(zhuǎn)向燈不亮、右轉(zhuǎn)向燈不亮等。造成這些故障的可能原因有：線路接觸不良、插接器松動(dòng)、熔斷器斷路、間歇繼電器損壞、危險(xiǎn)警報(bào)燈開關(guān)損壞等。

圖1

在汽車電路故障診斷實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，要求學(xué)生能夠針對(duì)汽車電路表現(xiàn)出的故障現(xiàn)象，制訂合理的故障檢測(cè)方案，并運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)而找到故障原因。在傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式下，為了讓學(xué)生得到有針對(duì)性的訓(xùn)練，通常在汽車電路實(shí)訓(xùn)臺(tái)上設(shè)置若干檢測(cè)點(diǎn)（如圖1中的①～⑨所示），然后學(xué)生將點(diǎn)火開關(guān)、危險(xiǎn)警報(bào)燈開關(guān)和轉(zhuǎn)向燈開關(guān)分別置于不同的檔位（如表1所示），再使用萬(wàn)用表依次測(cè)量各個(gè)點(diǎn)位間的電壓，根據(jù)測(cè)得的一系列電壓值，就可以逐步判定故障發(fā)生的位置和故障部件，進(jìn)而完成對(duì)汽車轉(zhuǎn)向與危險(xiǎn)警報(bào)燈電路的故障診斷。

表1 汽車轉(zhuǎn)向與危險(xiǎn)警報(bào)燈電路開關(guān)及檔位

● 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)功能需求分析

根據(jù)汽車電路故障診斷實(shí)訓(xùn)的實(shí)際教學(xué)要求，汽車轉(zhuǎn)向與危險(xiǎn)警報(bào)燈電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)該具備如下功能：①系統(tǒng)具有教師端界面和學(xué)生端界面，教師可以在系統(tǒng)后臺(tái)對(duì)實(shí)訓(xùn)課程進(jìn)行管理，學(xué)生可以在終端完成課程實(shí)訓(xùn)；②教師可以在系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)講解與演示、設(shè)置電路故障類型（單一故障或復(fù)合故障）、發(fā)布實(shí)訓(xùn)題目、查看學(xué)生實(shí)訓(xùn)結(jié)果、成績(jī)統(tǒng)計(jì)分析、學(xué)生故障診斷能力評(píng)估等；③學(xué)生可以在系統(tǒng)終端查看教師布置的實(shí)訓(xùn)題目、切換開關(guān)狀態(tài)、選擇電壓表檢測(cè)端子、虛擬測(cè)量電壓、階段性故障排除、提交故障診斷結(jié)果、查看實(shí)訓(xùn)成績(jī)等。

2.系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車轉(zhuǎn)向與危險(xiǎn)警報(bào)燈電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)總體上采用“服務(wù)器—客戶端”架構(gòu)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2

①服務(wù)器端。采用SQL Server搭建數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與處理。基于IIS平臺(tái)搭建Web服務(wù)器，并對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)存取引擎、Web頁(yè)面、基于MVC的服務(wù)器端接口程序、業(yè)務(wù)邏輯處理程序等進(jìn)行部署。②教師客戶端。為了使教師更加方便地完成實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理工作，以Web應(yīng)用程序的方式，運(yùn)用ASP.NET（C#）來(lái)構(gòu)建教師客戶端。這樣，教師在PC端的瀏覽器上就可以進(jìn)入系統(tǒng)并完成各種相關(guān)操作，簡(jiǎn)單方便，可視性好。③學(xué)生客戶端。為了更加方便地組織并實(shí)施虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)活動(dòng)，采用Html5+LayUI技術(shù)框架開發(fā)面向?qū)W生的手機(jī)端WebAPP，這樣學(xué)生在手機(jī)上就可以輕松進(jìn)行實(shí)訓(xùn)練習(xí)，極大地提高了學(xué)生實(shí)訓(xùn)的便捷性。

● 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

1.服務(wù)器端開發(fā)

（1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中的一個(gè)基礎(chǔ)性問(wèn)題。根據(jù)系統(tǒng)的總體功能與要求，在SQL Server中設(shè)計(jì)了相關(guān)的數(shù)據(jù)表，用于對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與處理，如下頁(yè)表2所示。

表2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)

（2）面向WebAPP的數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)，學(xué)生需要通過(guò)手機(jī)端進(jìn)行虛擬仿真實(shí)訓(xùn)，因此，在服務(wù)器上必須提供面向WebAPP的數(shù)據(jù)接口，以實(shí)現(xiàn)手機(jī)端與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)之間的交互。

微軟ASP.NET MVC架構(gòu)模式中的Controller控制器可以輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接、數(shù)據(jù)請(qǐng)求、邏輯處理等功能，因此，筆者采用MVC中的Controller技術(shù)開發(fā)服務(wù)器端的數(shù)據(jù)接口，部分接口如表3所示。

表3 服務(wù)器端后臺(tái)數(shù)據(jù)接口（部分）

其中，GetRecords方法的代碼如圖3所示。

圖3

2.教師客戶端開發(fā)

基于ASP.NET（C#）平臺(tái)，按照三層架構(gòu)原則對(duì)教師端應(yīng)用程序進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了基于B/S訪問(wèn)模式的后臺(tái)系統(tǒng)管理功能。①數(shù)據(jù)訪問(wèn)層：以SQLHelper為基類，對(duì)DAL類庫(kù)進(jìn)行構(gòu)建并封裝，實(shí)現(xiàn)對(duì)SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)的直接操作。②業(yè)務(wù)邏輯層：將系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)處理邏輯進(jìn)行代碼剝離，形成BLL類庫(kù)，增強(qiáng)系統(tǒng)架構(gòu)的靈活性。③用戶界面層：按照“Top-Left-Main”框架，對(duì)系統(tǒng)界面進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)；在信息顯示類頁(yè)面中，大多采用GridView控件對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行綁定；通過(guò)JavaScript與Image控件的融合應(yīng)用，達(dá)到汽車電路故障診斷演示操作中的動(dòng)態(tài)效果；通過(guò)圖表形式，直觀展現(xiàn)學(xué)生實(shí)訓(xùn)成績(jī)的統(tǒng)計(jì)情況。部分系統(tǒng)界面如圖4、圖5所示。

圖4

圖5

3.學(xué)生客戶端開發(fā)

（1）開發(fā)概述

筆者采用Html5+Layui技術(shù)框架開發(fā)學(xué)生手機(jī)端WebAPP。運(yùn)用Html5開發(fā)的WebAPP具有跨平臺(tái)特點(diǎn)，能夠兼容Android和IOS操作系統(tǒng)，適配性較好，在手機(jī)端程序開發(fā)中逐漸獲得廣泛應(yīng)用。Layui是開源的模塊化前端UI框架，遵循原生Html/CSS/JS的開發(fā)方式，為用戶提供了簡(jiǎn)單易用、快速高效的Web UI組件庫(kù)。學(xué)生手機(jī)端WebAPP部分界面如圖6所示。

圖6

（2）汽車電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)模塊設(shè)計(jì)

為了使汽車電路虛擬仿真實(shí)訓(xùn)效果達(dá)到最佳，在WebAPP界面的人機(jī)交互技術(shù)上進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：

①點(diǎn)火開關(guān)的狀態(tài)控制。用image標(biāo)簽顯示開關(guān)圖片，并設(shè)置相應(yīng)的onclick事件處理函數(shù)，當(dāng)學(xué)生點(diǎn)擊該開關(guān)時(shí)，根據(jù)存儲(chǔ)的狀態(tài)變量值來(lái)更換image的圖片，這樣就能使點(diǎn)火開關(guān)很方便地實(shí)現(xiàn)閉合/斷開的效果切換。

②危險(xiǎn)警報(bào)燈開關(guān)和轉(zhuǎn)向燈開關(guān)的檔位切換。該功能可以通過(guò)動(dòng)態(tài)改變