汽车电器虚拟实验系统的设计

严爱芳,李增芳

(浙江水利水电专科学校,浙江 杭州 310018)

0 引 言

汽车电器是汽车专业的一门核心课程,实验在汽车电器课程的教学中占有重大的比例,实验教学是汽车电器教学的一个重要组成部分,对提高学生的专业技能水平起着不可估量的作用.但是在实际教学中,我们发现,汽车电器实验受到场地、设备、经费等条件的限制,实验技术环境与汽车电器实际技术环境相差较远,严重影响教学工作的正常进行和教学效果.研究开发虚拟仿真实验技术,开展汽车电器虚拟实验可以创造多层次(虚拟与现实)、多模式(演示与设计)的教育实践教学环境,将会使学生的实践操作技能和技术应用技能得到全面的提高,有效地弥补现行实验的不足[1].

1 虚拟实验系统技术的概况

1.1 虚拟实验系统的研究现状

自1989年美国的University of Virginia的William Wulf教授提出虚拟实验室概念以来,发达国家大学里的虚拟实验室已经非常普及,例如加拿大卡尔加里大学的植物学算法虚拟实验室、美国的密西根大学的虚拟工程试验系统.从公开信息来看,目前国内的虚拟实验系统开发还不多,只有一些著名高校如清华大学、西南交大、浙江大学、青岛海军航空工程学院等研发并建立了虚拟实验室或者虚拟实验系统.

就汽车技术而言,汽车发动机故障诊断技术的虚拟实验系统的开发基本满足了目前实验的需求,但汽车电器的虚拟实验系统的研究和开发目前还处于空白状态.

1.2 虚拟实验系统的特点

与传统实验系统相比,虚拟实验系统具有以下的特点：

(1)良好的开放性

虚拟实验系统通过计算机网络技术向用户开放,实验者可以自由进出实验系统,开放性好.虚拟实验系统的开放性主要表现在两个方面：一是资源开放,实验者可以根据实验需要自由地选用虚拟实验设备、虚拟实验环境等等;二是虚拟实验系统是一个开放的试验平台,具有良好的灵活性,实验者可以自行构建实验环境、实验仪器、实验模块等等.

(2)不受空间、时间的限制

利用虚拟实验技术,可以彻底打破空间的限制,教师、学生能观察到每个具体汽车电器系统电路的工作情况,这是实物实验所无法比拟的.对于一些课堂上没能及时做好的实验,学生课下可以通过网络自行完成,完全不受时间限制.

(3)降低实验成本,提高实验安全性

在汽车电器试验中,由于实验设备、实验场地、实验经费等原因,学生人均实验设备台套数明显不够,实验场地拥挤,甚至一些实验根无法进行.利用虚拟试验系统可以弥补这些方面的不足,降低了实验易耗品的消耗,同时还避免了电器实验系统中安全事故的发生,在降低实验成本的同时提高了实验的安全性.

(4)不受客观条件限制,实现“实物实验”难于进行的实验项目

汽车电器系统受到安装、维修等客观条件限制,无法进行毁坏性试验和综合性试验,利用虚拟系统可以提供大量的虚拟仪器和设备进行此类实验,同时还可以避免由于实验工具故障对硬件实验带来的与实验无关的干扰.

2 系统分析

本套汽车电器虚拟实验系统是应用虚拟现实技术来仿真物理实验的计算机应用系统.基于Microsoft Visual Studio 2005(语言为 C#)、Microsoft Access(数据库)开发的汽车电器虚拟实验系统的主要任务是提供实验情景、交互操作、结果呈现、数据分析等功能.在虚拟实验场景中,系统能够模拟各个实验设备的功能以及实现在这些虚拟的“实验设备”之间的信号传递,以实现对真实汽车电器实验的模拟,达到教学目的[2].若今后系统进一步扩展,可以依据系统数据量的大小采用SQL Server作为数据库.

本系统可实现汽车蓄电池的充放电实验、汽车充电系统实验、汽车启动系统实验等五个典型的汽车电器实验.典型的汽车电器实验包括电路设计、故障诊断、故障排除等,虚拟电器实验系统应具备以下功能：

(1)能够在屏幕上实现自动布线或者手动布线,供实验者在各设备间进行线路连接.系统记录设备之间的连接.

(2)提供实验电路的自诊断功能.当实验者线路连接错误,系统能提醒实验者,以便于实验者重新连接线路.

(3)提供一个可扩充的虚拟设备库.如各种检测工具、电器配件以及一些虚拟的仪表等等.这些设备和仪器都能根据实验的要求显示在屏幕界面上.

(4)提供实验指令的解释执行功能,系统能根据不同的实验操作指令向相关设备传送信号,并显示不同的实验结果.

(5)提供实验成绩的记录和辨别功能,能根据实验者的识别码的输入和实验效果,自动记录、输出成绩.

3 汽车电器虚拟实验系统模型建立[2]

根据对汽车电器虚拟实验系统的功能需求进行分析可知,系统有3部分组成,见图1.

图1 系统结构图

学生操作界面是系统输入部分,完成用户实验时的界面处理,包括姓名学号的输入、试验系统的输入、实验内容的选择、设备的选择等等,相当于数据的采集.结果输出界面,完成结果的输出,比如系统工作状态的显示、指示灯的显示、电压值的显示等等.后台仿真计算程序(数据处理和数据计算)是整个虚拟实验系统的关键部分,它接收操作界面送来的输入数据,完成输入数据的处理和大量的模拟计算,并将计算结果返回给输出界面.明确了虚拟实验系统的主要功能及原始模型,可以据此进一步建立系统的数学模型：VLAB=(F,E1,E2,E3,…,Ei,…,En)其中,VLAB代表要设计的虚拟实验系统,它是元素F和Ei的集合.F代表虚拟实验系统的行为集合(如增加、删除实验).E代表一个要模拟的实验：E=(P,S,C1,C2,…,Ci,…,Cm),其中E 是元素P,S和Ci的集合;P代表要模拟的实验的行为集合(即表示学生实验操作行为、结果输出行为等);S代表仿真计算过程;Ci代表一个要虚拟的实验设备.

4 系统实现

本文以汽车充电系统的实验为例,根据实际实验要求,系统为C/S结构,虚拟实验的实现如下.

4.1 软件结构图

软件结构见图2.

图2 汽车电器虚拟试验系统结构图

4.2 系统总体流程图

系统总体流程见图3.

4.3 数据库设计

数据库的设计包括表汇总和表细节的设计.

4.3.1 表汇总

各表名及功能说明见表1.

表1 表名及功能说明

图3 系统总体流程图

4.3.2 表细节

数据表的包括及其关系,见图4.

图4 数据表面的关系

其中的UserInfo表,Role表,TrainRecord表,TrainType表,Conn表功能说明见表2～表6.

表2 UserInfo

表3 Role

表4 TrainRecord

表5 TrainType

表6 Conn

就单个的充电系统虚拟实训系统而言,数据量较少,所以采用Access作为数据库.若系统进一步扩展,可以依据系统数据量的大小采用SQL Server作为数据库.

同样,若系统进一步扩展,可以依据系统的实际情况决定采用C/S或者B/S结构.

5 结 语

虚拟现实技术给我们的实验教学提供了一种有效的辅助工具,建立虚拟环境下的汽车电器试验教学系统,能把汽车电器试验中抽象的、难以直接用一般自然手段表现的直观形象的表现出来,为学生汽车电器实验创造了逼真而灵活的实验环境,提高了实验教学的先进性和实效性.有效缓解了当前实验设备、试验场地不足的问题,提高了实验的安全性,降低了实验室的惯例成本和难度,开阔了学生的眼界,提高了学生的理论知识和实践知识的结合程度.

利用虚拟实验教学系统,还可以充分利用网络优势,在汽车电器远程教学中实现实验的可控性和交互性,降低远程教学的成本,推动汽车电器实验课程的远程教育的发展.

[1]周冬成,曹旭峰,王永斌.锁相与频率合成[M].武汉：海军工程大学出版社,2005：46-63.

[2]李 林.基于现代教育技术的电路虚拟实验系统[J].成都：实验科学与技术,2009,7(6)：56-57.

[3]陈 林,张 志.基于虚拟仪器的开放式虚拟实验室系统的研究和实现[J].电子技术测量,2007,30(4)：109-112.

[4]康占成.浅谈电子技术虚拟实验系统[J].雁北师范学院学报,2003,19(5)：87-89.