汽车仪表显示（精选9篇）
汽车仪表显示 篇1
1、仪表的发展历程
汽车经过100多年的发展历程,汽车仪表也在不断开发和发展之中。汽车仪表发展,按其工作原理上取得的重大技术创新来分经过4代:第1代汽车仪表是基于机械作用力而工作的机械式仪表,即机械机心表;第2代汽车仪表的工作原理基于电测原理,即通过各类传感器将被测的非电量变换成电信号加以测量,称之为电气式仪表;第3代为模拟电路电子式:第4代为步进电动机式全数字汽车仪表。[1]
目前汽车仪表正在经历由第3代向第4代转型时期。第3代汽车用仪表工作原理与电气式仪表基本相同,只是用电子器件取代原来的电气器件。随着集成电路技术突飞猛进的发展,这种仪表现在均采用汽车仪表专用集成电路,是国内汽车仪表目前的主流产品,经过多年的发展,其结构形式经历了动圈式机心和动磁式机心阶段。围绕提高指示精度和指针平稳性,由动圈式发展成动磁式等。笫3代全数字式汽车仪表从其应用的技术手段上看,还是电子技术范畴,也属于电子式仪表,但信号处理方式已从模拟变成数字。其最显著的特征是工作原理与第3代汽车仪表完全不同。随着光学、电子技术的迅速发展,特别是计算机技术在汽车仪表中的广泛应用,汽车仪表正向数字化和智能化方向发展。从汽车仪表的发展趋势,也可反映出汽车电子化水平的快速提高。[1]
2、仪表功能分析
仪表从功能上而言,是对汽车的各种参数指标进行显示,以使驾驶员能够了解汽车的使用性能,但随着现在娱乐系统、安全系统等的应用,仪表的功能进一步拓展。但总体而言,常规仪表必须能够显示发动机运行状况、变速器运行状态、灯光照明及信号灯状态、燃油量、安全带及气囊信息等。但从显示效果来分,这些系统可以分为以下几类:数字信号显示、模拟信号显示及字符信号显示。在此,以通用公司赛欧仪表为基础论述其功能及电气特性。
2.1 数字信号显示
数字量的特点是只有两种信号,即高电平和低电平,用来表示灯的亮与灭,故障的有与无等信息。此类信号的控制方式简洁,原理简单容易检测与维修。例如图1中的车门未关指示灯,远光灯指示灯和机油压力指示灯等信号。
图2中,远光灯指示灯的控制原理为为:远光灯开关通过接地控制远光灯继电器线圈的通电与断电,继电器开关闭合后将电源接入到远光灯和远光灯指示灯(并联关系),从而使仪表板显示远光指示灯。因此,远光指示灯故障并不能完全反映远光灯或者线路的故障。
2.2 模拟信号显示
在汽车上,有一系列模拟信号需要显示,包括燃油量、发动机水温、发动机转速和车速信号,这些信号是一系列连续可变的信号,与只有两种值的数字信号不相同。故只能使用连续指示仪器才能反映实际物理量,例如指针,或者多段液晶显示屏等器件。其中,图3为传统的模拟燃油量显示系统,图4为目前普遍使用的数字式燃油显示系统原理。
通过油泵中滑动变阻器将燃油高度转换成模拟电压量,由于滑动变阻器阻值变化与油面高度为非线性关系,同时油箱的形状不规则,所以发动机电脑获得的电压量与实际所剩燃油量为非线性关系,但变化趋势具有一致性,是单调函数关系。所以,能够通过发动机存储芯片中的数据进行查表或者线性插值计算所剩燃油量,这种方式相对于图3中的传统仪表,设计安装及调试更简便,且非常准确。发动机将转换后的燃油量信号通过一根线传送给仪表板,信号如图5所示,此信号为128Hz的可变占空比信号,占空比在5%～95%之间变化分别代表燃油量的多少。仪表板根据此信号转换后通过燃油量显示屏显示0～8段,其中8段均显示为燃油量达最大值。在仪表显示中,水温信号显示工作原理与燃油量显示系统工作原理一致。
发动机转速信号和车速信号分别由转速信号传感器测量获得,获取的正弦波信号经过门电路整形后,变成方波信号,发动机电脑获取此方波信号,通过定时器/计数器功能计算车速或者发动机转速。如果转速信号没有因为电压过低而出现信号丢失,那么转速脉冲的频率与实际车速或者发动机转速之间是线性关系。发动机电脑将此信号转变为可变频率的信号传输给仪表板,频率越高反映的转速越高或者车速越高。其信号如图6所示。
2.3 字符信号显示
字符信息显示系统用来显示变速器档位、燃油量及续航里程、车辆故障提示信息等字符信息。仪表获得数据并显示在仪表板的方式有三种:获取开关信号直接显示、获取数字信号转换后间接显示和通过串行总线获取数据进行显示。
车速显示通过获得一个变化频率的方波而进行转换成指针的摆动来实现,属于数字信号转换后间接显示。而在显示变速器档位信息时,由于档位显示数据量较多,包括运动模式、经济模式、1～5档位、空档、倒档倒档等等信息,所以通过常规方式无法传送诸多信号,故采用了总线进行传输。表1所示为变速器换挡杆通过转换后的档位信号,通过4根线将高低逻辑电平传输给变速器,变速器根据换挡杆位置、实际车速、档位及模式转换成总线数据传输给仪表板,其信号如图7所示,仪表板获取信号后转换成字符显示在仪表板上。总线数据波形为两路对称信号,周期性的传输变速器的信息到仪表板,读取总线信号需要通过含总线接口的诊断仪。[2]
0为低电平,1为高电平
3、汽车仪表显示系统的发展趋势
3.1 硬件设计简化
未来仪表的硬件设计将更简洁,例如发动机转速信号除了传输给仪表板外,还通过线束传送给发动机和变速器,这种结构采用了三根线传输一个信号。但如果采用总线布线,仅仅发动机获取此信号,那么再通过总线传输给仪表板和变速器及其他模块即可,可以减少大量线束。
由于采用了处理器及大容量数据存储器,汽车电脑处理信号的能力大大提升。原有的水温信号、位置信号等通过传感器转换后的电信号无法与实际量成线性关系,那么采用电脑处理后,这些非线性关系将通过查表或线性插值得以解决,并且准确度非常高,仅仅需要在初始设计过程中进行数据标定即可,从而可以降低传感器本身的要求,减少硬件结构。
3.2 信息系统共享
汽车信息系统中,发动机转速信号除了仪表板需要外,变速器模块、发动机模块和车身控制模块等均需要此信号,故一个传感器连接多个电脑或模块的设计方式将越来越少,取而代之的将是大量采用总线技术。总线技术使用后,速度相同的网络之间可以进行直接的数据交换,网速不同的数据通过网关也可以间接交换数据,而这些网络直接只需要两根总线。那么,传感器的连接和执行器的连接就可以按照最近的具有总线的电脑进行连接即可,从而减少了线束的长度,简化了结构。
3.3 设计人性化
汽车仪表在结构设计更简洁的前提下会使显示的信息更直观,能够使驾驶员直接读取汽车的信息参数或者故障提示等信息。同时,仪表的显示信息将更趋于确保安全,如汽车抬头显示(Head Up Display,简称HUD)能够在高速行驶时,特别是夜间高速行车时,把汽车行驶过程中仪表显示的重要信息(如车速)投射到前风挡玻璃上,可以使驾驶员不用低头就能看到仪表中的信息,从而避免驾驶员低头观看仪表显示而造成事故。
4、结论
本文主要以雪佛兰赛欧仪表为模型,并参考其他类型汽车仪表,论述了仪表的基本结构原理和电气特性以及检测方式,提出了未来仪表设计的发展趋势:即硬件结构简化,总线应用更为普及,显示信息将逐渐采用字符形式,并且显示方式将更人性化。通过本文的论述分析能够为仪表设计和检测提供参考。
参考文献
[1]杨忠敏.汽车仪表的发展现状.汽车电器,2004年第4期.
[2]泛亚汽车技术中心.2011赛欧维修手册[M].上海通用汽车有限公司,2010,3:160-210.
[3]李春明.汽车电器与电路.高等教育出版社,2008:108-122.
汽车仪表显示 篇2
一般仪表的水温灯常亮就说明发动机的冷却系统存在故障了，常见的故障点有：
1、发动机冷却系统中的防冻液缺少了，可能是发动机存在泄漏点，如水泵泄漏，管路破损，水箱破损等等。
2、发动机冷却系统中的`节温器出现了故障导致水温过高。因为节温器无法打开，导致冷却液在发动机内部的流动受到了阻碍，所以冷却液的温度过高。
3、发动机冷却系统中的冷却风扇工作不正常，导致冷却液的散热不好。所以水温灯亮，导致冷却液温度过高。
汽车仪表显示 篇3
关键词：Proteus软件；加速度传感器；单片机；制动强度；减速预警
【作者简介】唐 送（1987-）男，湖南湘潭人，西南林业大学在读硕士研究生，研究方向：汽车电子检测与控制。
赵龙庆（1963-）男，博士，教授，西南林业大学研究生工作处处长，硕士生导师，主要研究测试技术和车辆控制系统；
杨 舒，男，云南大理人，大理翌宝司法鉴定中心工作。
汽车现在已走进千家万户，但大量的交通事故给人们的生命财产造成了巨大的损失。在2009年，中国发生道路交通事故238351起，死亡67759人，伤残275125人，直接经济损失9.70亿。追尾事故在交通事故中所占比例达到30%左右，减少追尾事故的发生可以大大减少经济损失。本文介绍的系统可以定性和定量的显示汽车制动状态，还可以起到减速预警的作用。减速预警可以让随后车辆有更多的反应时间，尤其在高速公路上十分之几秒就可能改变很多人的命运。
Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等， Proteus可以建立完备的电子设计开发环境。本文利用仿真电路设计和分析了整个控制系统。
1 .硬件仿真模型的建立
目前汽车制动灯的原理是：踩下制动踏板时，制动灯马上点亮，松开制动踏板以后灯熄灭。本系统中加入了减速度传感器，在ECU的控制下，将汽车制动减速度分成六个等级进行警示。
本系统功能说明：系统上电复位；检测加速踏板是否完全松开，如果是，ECU1立刻启动AD，采集当前减速信号，经滤波，通过并行转串行芯片将数据送到ECU2，ECU2控制警示灯模块，对随后车辆进行预警，此时如果ECU1检测到有制动信号，立刻重启AD，采集当前减速度信号，经滤波，通过并行转串行芯片将数据送到ECU2，ECU2通过计算确定此次制动减速度的等级，并控制警示系统，以告知随后车辆。本系统原理图，如图1所示。
A.减速度信号的采集
在汽车处于滚动状态时，地面制动力为：
由于其中为地面制动力，为纵向附着系数，为汽车总重力，为地面附着力，为地面对车轮的法向反作用力，为地面附着系数。
又由于汽车在滚动时，制动器制动力最大为地面制动力，故汽车能达到的最大减速度为：
，其中为重力加速度。
因为地面附着系数最大不会超过1，于是得出汽车制动减速度最大值不会大于一个。所以在选用加速度传感器时，选用最大量程为 即可。综合考虑选用SD系列压电式加速度传感器，此系列传感器为电荷输出型，输出经电荷放大器后，选择直流电压输出，输出增益为0.1，输出电压与减速度大小成正比。
本文在仿真时采用滑动变阻器分压接法时的电压输出来代替传感器输出信号，此信号经ADC0809转换后送到单片机，如图2所示。
B.加速踏板信号和制动信号的采集
加速踏板信号和制动信号在本文中的应用都为开关信号，于是本文使用555定时器来调理这两个信号。555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，它的功能主要由两个比较器决定。见表1。
a.加速踏板信号的采集
假设驾驶员从松开加速踏板到踩到制动踏板的时间为0.3s，若当时车速为，则在0.3s内汽车可行驶的距离约为6.7m。当驾驶员将加速踏板完全松开时，喷油量随即减少，发动机转速降低，输出功率也减少，由于各种阻力的存在，汽车会立即产生减速度，本系统采集到加速踏板放开信号时，立即开启AD，计算出此时减速度，点亮警示灯告知随后车辆，起到提前警示随后车辆的作用，当进行紧急制动时，这种预警作用更加有利。 即便驾驶员在松开油门进行滑行时，汽车也会存在较小的减速度，因此这种预警作用也有效。
b.制动信号的采集
由于本系统中用到的制动信号仅为开关信号，再者制动开关处电压和电流都较大，避免损坏555电路，因此，将制动信号通过滑动变阻器分压引入即可，低电平有效，如图4所示。
C. 数据传递模块
本系统将数据采集和控制显示分别在两块单片机上进行，ECU1负责采集数据，ECU2负责控制数据计算和控制警示模块。ECU1将数据采集进来，进行滤波之后采用并行方式将数据传送给74LS165芯片，此芯片将数据转换成串行传输的方式，经“SO”端口传递给ECU2，ECU2通过计算控制警示模块工作。如图5。
D.制动警示模块
减速度显示模块分成两部分，一部分为车尾部灯光警示模块，通过单片机程序控制亮灯的数量，来显示减速度大小的变化；另一部分为车内数码管显示模块，数码管显示和尾灯显示是同步的，数码管显示实时的减速度大小，单位为ms-2，数码管可以通过开关控制显示或者不显示。据经验丰富的驾驶员介绍，在某一速度时踩刹车，根据感觉可以判断制动减速度的大小，从而来判断制动器制动能力是否衰退，这可以起到提醒驾驶员及时的检查制动器的作用。加入数码管显示之后就能更加准确的指示驾驶员。如图6。
E.仿真结果及分析
通过调节滑动变阻器的滑片位置来模拟减速度的大小变化，当输出电压越大表示减速度越大。根据减速度值（，单位：m/s2）从0~10，分为：0 2.软件设计流程 在Keil软件中编写本系统的程序。ECU1的程序主要是数据采集和滤波，以及并行数据传送。本系统采用加权递推平均滤波法对AD采集的数据进行滤波。ECU1将滤波后的数据，使用并行通信的方法传送到74LS165芯片，此芯片将并行数据转换成串行数据之后传送到ECU2。程序流程图如图8所示。 3.小结 本系统采用了两块51单片机进行双机实时通信，将数据的采集和控制分开，运用了数字滤波技术。本系统的设计有三个最大的创新点是：利用了驾驶员从松开加速踏板到踩到制动踏板这一短小的时间，对随后车辆进行预警，此思路对于高速行驶的车辆预警作用会更加明显；能够定性并且定量的提示随后车辆，前车的制动状态；驾驶员只需通过自己测试即可判断制动器性能是否衰退，以便更早的提示驾驶员检查制动系统，避免事故的发生。在Proteus软件中进行了本系统的模拟仿真。本系统的研究成功和运用，必将对减少汽车追尾事故的发生起到很大的预防作用，必将减少巨大的财产损失和挽回许多宝贵的生命,具有很强的实际应用价值。 （注：本系统的思路来源于杨舒同志的专利（专利号：ZL200920111259.8），经沟通，杨舒同志同意进行本系统的软件仿真。） 参考文献 [1] 岩 石.数字电子技术基础[M]北京:高等教育出版社.2005 [2] 陈家瑞.汽车构造[M]北京：人民交通出版社.2006 [3] 肖 婧.单片机系统设计与仿真：基于Proteus[M]北京: 北京航空航天大学出版社 .2010.08 [4] 夏雪松等.汽车传感器标准值速查手册(第2版)[M]北京:电子工业出版社.2008 轿车仪表系统为驾驶员指示车辆在各种状态下各部件的运行状况, 从而使汽车可靠、安全地行驶。它兼有技术和艺术的功能, 反映出车辆设计风格和制作工艺上的特点, 是整车的代表作和亮点之一。轿车仪表是人与轿车之间进行信息传递和交换的人机交互界面。 当代的轿车追求“人车合一”, 设计中要体现以人为本的设计思想。汽车设计师们逐渐将更多的精力投入到了新车型内饰方面的考虑上, 尤其是汽车仪表系统的改造和完善。在这一过程中探索了在轿车仪表设计中实现人性化设计的基本思路。 1 轿车仪表显示信息人机交互 人机交互主要包括7个方面的内容:“人的特性研究、机器的特性研究、环境的特性研究、人-机关系的研究、人-环境关系的研究、机-环境关系的研究、人-机-环境系统总体性能的研究。”[2]轿车仪表板是驾驶员与车辆间信息、作业交互的人机界面, 它集中了全车的仪表, 显示车辆的工作状况。随着现代电子技术的进步和汽车性能的发展, 相应的多功能、高精度、读数直观的汽车仪表随之出现, 电子数字显示及图像显示的仪表得到了进一步推广。 不同轿车的仪表不尽相同, 但一般轿车的常规仪表为:车速里程表、发动机转速表、燃油表、机油压力表、水温表、充电表等, 这就是通常所说的“六大表”。在这六大表中, 燃油表、机油压力表和水温表都直接与发动机的工作有关。其中燃油表和水温表也可以用指示灯来代替, 用以提示燃油不足以及水温偏高或偏低。现在很多车型的电器设备日趋完善, 车上都装有计时器件, 以石英钟占多数, 包括指针式和数字式两种。有的车型还配备了油耗表, 用来指示汽车行驶中燃油的消耗情况。油耗表所反映的是一个瞬时的、动态的燃油消耗量, 以此来控制汽车行驶中发动机与汽车行驶工况的匹配关系, 从而反映行车的经济性。 在轿车仪表板上通常同时装有多达几十种信号指示灯, 其中最常用的有ABS指示灯、EPC指示灯、O/D档指示灯等。 轿车仪表中绝大多数的信息是通过图形符号的形式来表现和传递的。按照符号学的观点, 符号都必须具有符号的内容和语义学的规则, 也就是说, 它必须是能指与所指紧密结合的双面体, 要想顺利传递信息, 二者缺一不可。符号的代表形式就是人们日常所使用的语言, 它所构成的是一个高度概括、抽象的虚拟世界。符号作为一种媒介, 想要传达抽象的内容, 不但要表现为能被对方所感知的某种形式, 还必须包含能被对方理解的抽象内容。 仪表显示符号要实现信息的传达, 在符号体系完善以及传送通道通畅的前提下, 顺利传递的关键就在于在仪表信息显示系统设计者与驾驶者之间约定两者共知共识的符号表示规则。仪表信息符号的形式特征主要通过形状、色彩、材质等要素来表现, 有二维和三维两种空间存在方式, 并且依靠视觉来感知。轿车仪表显示中的文字绝大部分为英文和阿拉伯数字, 人眼对这些信息的识别特性与对图形符号的识别有很大的相似之处。而轿车仪表与驾驶者在色彩方面的交互主要体现在常用仪表指示灯的配色上。 2 轿车仪表显示信息交互设计 轿车仪表板是各种仪表、信号灯的集合处, 更是操纵控制与显示的集中部位, 而且在整车造型方面极其重要, 所以必须在设计阶段权衡利弊, 精心布局。首先应符合人机工程学原理, 安全舒适;其次应充分考虑到驾驶者的各种使用习惯;最后还需造型美观, 特色鲜明, 但要与整车的造型风格协调一致。车辆仪表设计得好, 会使驾驶员感到得心应手, 反之, 甚至会影响到其生命安全。纵观各类汽车的仪表板, 尽管因车型、功能不同而风格迥异, 但都有一个共同的特点, 即“除了具有必备的功能性外还具有实用性和人机关系的协调性”[3]。 轿车仪表的设计应以“人性化”为最主要的指导原则。轿车目前在国内市场上还属于消费品而非生活必需品, 因此其设计不仅要偏重于生理学的层面, 而且必须兼顾消费者心理层面的需求, 在设计上要尽可能符合产品审美要求与潮流的发展。任何产品的人性化设计都应该是功能主义的, 必须在保障产品的主要功能不受影响的前提下改进其外形、结构设计以符合人机工程的一般要求。轿车仪表信息的传递要以信息交互的基本原则来指导交互设计。 对使用者生理与心理的研究是设计“以人为本”的具体化。这种设计思想最早把心理学引入到计算机人机界面的设计评价中来。轿车仪表的最终使用者是驾驶者, 要使仪表适应驾驶者, 而不是让驾驶者去适应仪表。应该以驾驶者的生理、心理特性为核心, 以当前计算机显示技术以及各相关行业标准为辅助, 使仪表信息显示设计具备用户特性、任务特性、系统特性、界面设计特性。随着计算机和电子技术的发展及广泛应用, 信息显示领域的人机交互将会以多种方式来实现, 用户界面将会从之前使用较多的“认知型”逐步转向更为高效和人性化的“直觉型”。 3 总结 综上所述, 提出仪表信息交互界面设计的6点原则:1) 信息显示符号由具体到抽象;2) 由可见的内容显示不可见的内容;3) 激发驾驶者的交互兴趣以及学习和交流的欲望;4) 减少驾驶者的短期记忆负担;5) 交互过程中使用用户语言;6) 适当考虑特殊驾驶者的个别差异。 参考文献 [1]孙庆华.针对视障用户的网络信息无障碍研究[D].北京:首都师范大学, 2008. 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[4]谭浩, 赵江洪, 王巍.汽车人机交互界面设计研究[J].汽车工程学报, 2012. 1 汽车转向电子显示仪的设计方案 如图1中显示的原理一样, 先在汽车转向盘上安一个合适尺寸的齿轮, 由传送带将该齿轮和位移传感器相连接。然后在角位移传感器上面也安装一个相同型号的齿轮, 从而使得由转动方向盘带来的转过角度与角位移传感器转过的角度是相同的。再通过电路主板向角位移传感器上加5V左右的电压。角位移传感器上的电阻值可以通过转动汽车方向盘带动角位移齿轮转动来改变。这种阻值的变化会导致输出电压的改变, 从而可以将转过的角度信号转换为受控电压信号。将受控电压信号送入PIC单片机中的转换电路进行处理[2,4]。我们预先将PIC单片机中的程序预设为左极限值 (左转向最大角度时产生的电压) , 右极限值 (右转向最大角度时产生的电压) , 中间值 (无转向时的转角为0) , 通过分析和计算这些转向值, 我们可以得到汽车实际转向导致偏离直线的幅度。最后将得到的转向值输出到PIC单片机的外围电路上, 并将其显示在在仪表盘上, 学员或司机可以十分清楚地了解自己转方向盘后给汽车带来实际转幅。 2 汽车汽车转向电子显示仪的工作原理 汽车转向电子显示仪的显示仪器是数码管和LED指示灯的组合。如图2中所示, 将左极限值和中间值之间的转向角度100等分, 当汽车左转向时, 该电子显示仪就能在数码管上显示汽车左转导致偏离中线位置的百分比。同理右转的工作原理。此外, 当汽车左转时, 左边的三个呈三角状的LED灯闪烁, 右转时, 相应的右边三个呈三角状的LED灯闪烁。这些LED灯的闪烁是为了对左右转向进行提示, 从而使得驾驶员对左右转向有一个初步的了解。 本电路系统的硬件电路部分由电源模块, 按键模块, 传感器模块, 显示仪模块和导入电路模块等组成[3,5,6,7,8]。我们知道, 汽车内部本身自带有12V的车载电源, 而本系统的PIC单片机需要5V电源。因此需要将车载的12V电源转换呈5V电压, 我们这里的转换芯片稳压电路和采用7805。 电子显示仪采用三位共阳数码管来显示输出电压的大小。由于PIC 16F873自带有六路的数模转换模块, 因此无需再使用额外的数模转换芯片。输入的模拟信号经过R A 0传入PIC单片机中。R B 0~R B 7作为数码管的段控制端口。R C 0~R C 2作数码管的位控制端口。R A 1~R A 5作按键信号的采集端口。R C 3~R C 7作为LED指示灯的显示端口。整体的电路图如图3中所示。 使用Protel99se绘制的汽车转向电子显示仪PC B图4和图5所示, 汽车转向电子显示仪产品示意图如图6所示: 3 结论 汽车转向电子显示仪已经在汽车上的安装实验过, 本装置在汽车转向时能有效的显示汽车转过的幅度, 从而使得学院和驾驶员得到很好的方向位置。汽车转向电子显示仪采用元器件较少, 价格成本低, 性价比高, 非常易于实现;装置简洁小巧, 适合车身装载, 不需占多少空间。对于实际生产运用有广阔前景。目前该装置己经投入规模化生产, 这是汽车电子化过程中的一大进步。 参考文献 [1]曹锦.汽车转向故障诊断与排除[J].道路交通管理, 1998. 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[7]HAZELDEN R J.Optical torque sensor for automotive steering systems[J].Sensors and Actuators A, 1993. 据调查显示,信息80%是通过视觉获取的,因此视觉效果作为评价标准,具有以真实地景、地理空间位置为平台的飞行模拟,才能对飞行员体验飞行、对飞行的认知起到帮助,而Skyline能满足平台需要,为用户提供真实的地景和地理空间,因此基于Skyline开发的飞行模拟具有重要意义。飞行模拟的一个重要方面就是飞机的座舱仪表显示系统,它能让飞行员体会到从第一视角观察自己的飞行状态及周围的地景变化。为满足人们体验模拟飞行的视觉效果,文中基于实现Skyline模拟飞行的前提下,对如何实现座舱仪表的显示进行了探讨,并得出如何高效简单地解决座舱仪表显示的问题。目前仪表显示可以通过OpenGL、DirectX和Flash实现,文中给出用Flash实现Skyline飞行座舱仪表显示的方法,该方法高效、快捷。 1 Skyline和Flash简介 1.1 Skyline Skyline是独立于硬件之外、多平台、多功能的一套基于网络的三维地理信息系统平台。用户可以利用航空和卫星遥感影像、地形高程数据和其他的二、三维地理空间和属性数据,创建自定义的虚拟现实三维可视化场景,进行浏览、查询、分析和网络发布。它能够允许用户快速融合数据、更新数据库,并且有效地支持大型数据库和实时信息流通讯技术,此系统还能实时地展现给用户3D地理空间影像,并开放所有的API,无论在网络环境还是单机应用,用户都能根据自身的业务需求开发定制功能,建立个性化的三维地理信息系统。文中基于Skyline提供的开放API实现模拟飞行功能的基础上,进行再次开发,实现座舱仪表的显示。 1.2 Flash Flash是重要的动画制作工具,它是基于矢量的图形系统,各元素均为矢量,只用少量的向量数据就可以描述一个复杂的对象,占用的存储空间仅为位图的几千分之一,同时矢量图像可以做到真正的无级放大,这样图像始终可以完全显示,并且不会降低画面质量。在Flash中,一般动画都是依靠关键帧实现,方便快捷,用户只需给出一个对象的几个关键动作,生成关键帧,系统就会根据需要在各个关键帧之间自动插入平滑的动画。Flash使用了“层”的概念,不同的角色可以出现在不同的层面上,相互掩映,可以单独对某一层面进行操作,并且可以看见效果。文中根据Flash的这些特性,实现了座舱仪表的显示。 2 座舱仪表显示功能实现 2.1 座舱仪表制作 为了达到座舱仪表显示更为逼真的目的,采用3D MAX制作。3D MAX是集各项3D功能为一身的软件,建模、渲染、材质、动作等使得建模更加精致、逼真。建模完成的效果如图1所示,该图作为Skyline窗口的背景贴图。 利用3D MAX的裁剪渲染功能,将图1中的每一个仪表(除地平仪以外)及仪表指针单独渲染输出保存图像如图2所示,用于之后加入到Flash场景中制作动画。由于地平仪中的圆柱是随着飞机俯仰角的变化而转动,在Flash中实现较困难,因此将其独立出来,放在3D MAX中制作动画,设置旋转一圈为720帧,然后再通过裁剪渲染,按每帧输出得到720张图像并保存。 在新建的Flash工程中,将仪表图像及其相应的指针分层放入场景,并按照指针的指示设定足够的帧数和关键帧制作动画输出保存为*.swf文件。其中,Flash支持图片的批量加载,并自动将每幅图像按编号顺序添加为关键帧,这使得地平仪的制作简单化。制作效果图如图3所示。 2.2 仪表动态显示实现 以上制作的仪表必须通过数据的驱动才能转动,数据来自于飞行模拟。本文的仪表动态显示是通过C#编程语言实现,通过建立同一命名管道实现飞机参数与仪表指针帧数之间的通信,具体实现过程如下: (1)建立Myfly和Flash两个工程文件。Myfly工程用于模拟飞行并将飞行参数输出;Flash工程用于加载制作的*.swf文件,并匹配飞行参数与指针帧数之间的关系。 (2)建立同一命名管道。Myfly中的管道作为客户端,用于发送带一定格式的数据;Flash中的管道作为服务器端,用于接受数据并按数据格式解码。 (3)运行两个工程文件,实现仪表的动态显示。其显示结果如图4所示。 可以看到飞行的场景为Skyline提供的海量遥感影像,座舱为3D MAX制作的座舱,仪表为Flash动画,在飞行参数的驱使下,指针发生了偏转,实现了座舱仪表的动态显示。而图5为机舱照片直接粘贴,仪表都是静止的,而且显示效果不好,相比之下,通过3D MAX和Flash相结合制作的飞行座舱仪表显示取得了良好的效果。 3 结束语 论述了基于Flash实现Skyline的飞行座舱仪表显示,该实现使得飞行模拟更加逼真形象。与其他仪表显示相比,显示更精致;优点是较好地使Skyline的开发平台与Flash相结合,实现了不同工程程序间的相互通信,对Skyline的二次开发能力进行了补充。 摘要：Skyline作为一个三维地理信息平台,为用户提供直观、形象的三维地景显示和二次开发功能。文中在Skyline实现模拟飞行的基础上,论述了如何用3D MAX和Flash实现座舱仪表的显示,并用飞行参数驱动仪表指针,实现了更加逼真的模拟飞行。 关键词：Skyline,Flash,座舱,航空仪表 参考文献 [1]王娟.飞行仿真中虚拟航空仪表显示系统的研究和实现[D].吉林:吉林大学,2005. [2]东方道迩.SkylineGlobe+6技术白皮书[M].北京:北京东方道迩信息技术股份有限公司,2010. [3]吴东岩.飞行模拟器座舱仪表驱动的设计与应用[D].吉林:吉林大学,2006. [4]李俊涛,李学仁,李永宾.基于DirectX的虚拟仪表技术在飞行仿真中的应用[J].空军工程大学学报,2004,5(6):1-4. 本文介绍一种能够应用在WinCE设备平台的OBD汽车虚拟仪表设计方案。 1 需求分析与总体设计 OBD系统能够输出汽车ECU (Electronic Control Unit) 电子控制单元通过车载传感器获得的燃油系统、温度系统、点火系统、动力系统以及废气控制辅助装置系统运行状态数据, 在发生故障的情况下则输出故障码。 硬件设计方面, 设计了以ELM327为主控芯片的硬件连接电路和以PL2303芯片为主控芯片的电平转换电路, 扩展OBD接口的功能, 与O B D接口通信, 解析报文数据流, 将OBD接口输出信号转换为WinCE平台设备能够识别的信号并输入。 软件设计方面, 本文具体阐述了在WinCE SDK环境下开发的设计方案。采用模块化的设计方法, 将虚拟仪表软件分为通信初始化模块、OBD数据解析模块、计算与显示模块进行设计和研究, 实现了将发动机状态、发动机转速、当前时速、剩余油量、发动机温度等行车信息在WinCE平台上以汽车虚拟仪表图形显示。 2 硬件连接器设计 2.1 连接器设计 连接器的作用时信号转换, 因为系统终端与ECU的通信码均为串口信号, 只是与RS-232标准串口信号的电压不同, 标准串口信号的“1”用-12V表示, “0”用+12V表示, 而K线的“0”用0~1.3V表示, “1”用12V表示, 所以需要设计一块转换卡, 把K线的串口信号转换为标准的串口信号, 即可实现利用计算机串口来读取嵌入式系统终端与E C U的通信码。转换卡除了能完成电平转换功能外, 工作频率要大于10kHz, 且输入电阻要大, 不至于影响嵌入式系统终端与E C U的通信。采用转换卡截码的效率很高, 每次截码得到的文件也较小, 约1Kbytes。基于ELM327的连接器组成框图如图1所示。 2.2 电平转换 USB作为一种新的PC机互连协议, 使外设到计算机的连接更加高效、便利.这种接口适合于多种设备, 不仅具有快速、即插即用、支持热插拔的特点, 还能同时连接多达127个设备, 解决了如资源冲突、中断请求 (IRQs) 和直接数据通道 (DMAs) 等问题。因此, 越来越多的开发者欲在自己的产品中使用这种标准接口。而RS-232是单个设备接入计算机时, 常采用的一种接入方式, 其硬件实现简单, 因此在设计的时候考虑将RS232信号转换成USB信号, 电路实物图如图2所示。 如图2:ELM327内驻一个多路低导通电阻模拟开关组成的供电-测量电路网络、12bit逐次逼近A/D转换器和异步串行数据输入输出, ELM327根据微控制器发来的不同测量命令导通相应的模拟开关, 以便向OBD电极对提供电压, 并把相应电极上的触点坐标位置所对应的电压模拟量引入A/D转换器, X+、Y+、X-、Y-为O B D电压输入;CS为ADS7843的片选输入信号, 低电平有效;DCLK接外部时钟输入, 为芯片进行A/D转换和异步串行数据输入/输出提供时钟;DIN串行数据输入端, 当CS低电平时, 输入数据在时钟的上升沿将串行数据锁存;DOUT串行数据输出端, 在时钟下降沿数据由此移位输出, 当CS为高电平时, DOUT呈高阻态。BUSY为系统忙标志端, 当C S为低电平, 且B U S Y为高电平时, 表示ELM327正在进行数据转换;VREF参考电压输入端, 电压值在+1 V到+V C C之间变化;PENIRQ为笔触中断, 低电平有效;IN3、IN4为辅助ADC转换输入通道;+VCC为电源输入。 按照图2示电路, ELM327完成一次数据转换需要与O B D进行3次通信, 第一次微处理器通过异步数据传送向E L M 3 2 7发送控制字, 其中包括起始位、通道选择、8/1 2位模式、差分/单端选择和掉电模式选择, 其后的两次数据传送则是微控制器从E L M 3 2 7取出1 6 b i t A/D转换结果数据 (最后四位自动补零) , 每次通信需要8个时钟周期, 完成一次数据转换共需24个时钟周期。 3 虚拟仪表软件设计 软件设计平台选用Visual Studio20085构建的开发平台[4]。采用模块化的设计方法, 主要核心模块是通信模块和OBD报文解析模块。 3.1 通信模块 通信初始化模块功能是通过连接器实现OBD插座与WinCE平台设备的互联, 打开USB通用串行端口, 代码如下: 3.2 OBD报文解析模块 报文解析模块是虚拟仪表的核心, 以OBD报文组成为基础定义其主要工作流程图如图3所示。 4 工程实测 选用相应设备, 虚拟仪表成功读取汽车动力系统的发动机状态、转速、温度、行驶速度、存油量等参数信息并显示, 显示结果和汽车仪表盘完全一致, 达到设计的预期目的。 (如图4) 5 结语 本论文设计的汽车虚拟仪表设计方案能够读取汽车动力系统的发动机状态、转速、温度、行驶速度、存油量等参数信息并显示。在今后的工作中, 还可以开发车载多功能信息系统, 为驾驶员提供更多的行车服务。 参考文献 [1]Salvatore Cavalier.Meeting Real-TimeConstraints in CAN[C].IEEE Trans-actions On Industrial Informatics, 2005, 1 (2) . 仪表是信息显示器中应用极为普遍的一种视觉显示器,按其认读特征分为两大类:数字显示器和模拟显示器[1]。在科技高速发展的今天,仪表技术得到了全面的发展。这就给工程技术人员在选择仪表上添加了难题[2]。因此,科学地评价仪表的人机性能,有助于在人机界面设计过程中进行仪表类型的选择和使用,有助于反馈评价信息促进仪表显示器的设计和开发。传统方法采用的是多指标分析法和模糊分析法[3],以上方法评价都存在较大的片面性和人为因素[4]。灰色关联层次分析模型[4,5,6],将层次分析法与灰色关联模型相结合,在仪表显示器人机评价过程中,能够很好地解决多因素、多层次评价的问题。 1 相关理论 1.1 层次分析法 美国运筹学家A.L.Saaty于20世纪70年代提出的层次分析法(Analytic Hierarchy Process简称AHP)是将决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次,在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。通过明确问题,建立层次分析结构模型,构造判断矩阵,层次单排序和层次总排序五个步骤计算各层次构成要素对于总目标的组合权重,从而得出不同可行方案的综合评价值,为选择最优方案提供依据[7]。 1.2 灰色关联理论 邓聚龙教授在1982年提出的灰色理论是系统思想的一种深化和发展。该理论是一门研究信息部分清楚、部分不清楚并带有不确定性现象的应用数学学科[5]。灰色关联(Gray Correlation),简称灰关联,是指事物之间不确定的关联,或系统因子之间,因子对主行为之间不确定的关联[8]。灰色关联的计算过程即是通过分析和确定因子和目标曲线的几何形状的关联,描述因子间影响程度或因子对主行为的贡献测度的过程。这一理论克服了回归分析和模糊理论存在的不足[8],并在机械工程、社会经济等领得到了较为广泛的应用。 2 灰色关联层次分析模型 仪表显示器人机评价系统是一种多层次的灰色系统,可采用灰色关联层次分析模型对其进行评价研究。这种将层次分析评价体系与灰色关联模型相结合的方法,能够解决较为复杂的多层次、多因素的评价问题。灰色关联层次分析模型通过计算因素与目标曲线的几何形状的关联,描述因素之间关系的强弱和顺序,最终通过因素的层次递推得到评价方案的综合评价结果。 灰色关联层次分析模型的评价步骤如下。 2.1 数据初值化 灰色关联模型要求序列的数据之间保持“等权”、“等测度”、“等极性”,因此,必须对原始数据数列进行规范化处理。等权处理就是通过计算使序列的数据在大小上比较相近。如果两个序列间的数据在大小上相差太大,则小数值序列的作用将会被大数值序列掩盖[5]。 影响仪表显示器的人机评价层次指标体系为效益型指标体系,即所有评价指标为“越大越好”。仪表显示器的人机评价指标数据初值化计算方法为: 设参评方案的个数为m,影响因数的数量为,矩阵A=(aij)n×m表示评价指标的初始矩阵,其中aij指向第i个人机评价指标的第j个因素。极差变换法等权处理公式为: 式(1)中i=1,2,…n;j=1,2,…,m。规范化后的矩阵记为X。 2.2 关联系数计算 经过极差变换法等权处理,规范化矩阵X=(xij)n×m中每个元素xij∈[0,1],且愈大愈好。现取各参评方案中同一指标的最大值作为理想方案,则理想方案向量可表示为x0=(x01,x02,…,xom)。其中xoj=max{xij|i=1,2…,n},各方案指标向量xi=(xi1,xi2,…,xim)作为待考察的集合。 第i个方案的第j个评判指标与理想方案的关联系数ξij为 这种形式的相对差值称为xi对x0在j点的关联系数,其中ρ为分辨率,ρ∈(0,1),一般取0.5。 由此得到关联系数矩阵:E=(ξij)n×m。 2.3 指标权重确定 仪表显示器的人机评价指标权重一般通过人机工程方面的专家通过打分的方式获得,鉴于评价指标因素间边界较为清晰,干涉性小,可采用熵值法[9]确定各因素的权重。 对规范化矩阵X=(xij)n×m,令 即为指标i的权重。 2.4 灰关联度计算 仪表显示器的人机评价灰色关联度模型为 在多层次分析中,首先求解基层关联度,然后作为上一层的初始评价指标,再重复以上步骤计算上一层的关联度,直至得出最上层的关联度[10]。最终递推的结果即是方案优劣的评价结果。 3 仪表显示器人机评价指标体系 对仪表显示器进行的人机工效评价主要从读数的精确度、读数的速度、疲劳度测试、多表协同工作读数的表现和培训的难易程度等方面进行评价。其具体包括。 3.1 精确读数表现评价 精确读数是指读数者在仪表显示器指针或数字稳定的情况下,对所显示的数据进行读数。它是仪表操作过程较为主要和普遍的读数方式,是衡量仪表显示器最重要的指标。如,传统水银体温计的读数方式即为精确读数。 3.2 范围读数表现评价 在范围读数时,读数者不用准确地读取仪表所显示的具体数值,只需读出仪表数值是否到达某一范围,这种读数方式通常用来考察仪器或设备是否到达临界点。 3.3 波动读数表现评价 波动读数是指仪表显示器所呈现的数据处于波动的状态,读数者在读数时需读出所显示数据的波动范围,而不是精确的数值。 3.4 2表连读表现评价 在人机界面布局设计中,多表配合是一种常见的工作状态。因此,在对仪表显示器进行人机评价时不能仅从单表工作状态来考察。2表连读表现评价指标重在考察多个仪表显示器在协同工作时的效率和宜人性。 3.5 易用性评价 在仪表显示器的使用过程中,使用效率不仅包含读数的准确率,还包括读数的速度。易用性越高的仪表,读数的速度越快。因此,考察单位时间内仪表显示器的读数数量也是对仪表进行人机评价的重要指标。 3.6 宜人性评价(疲劳测试) 疲劳测试,是人机评价的重要组成部分。但由于疲劳度与评价结果成反比,为了统一评价因素的极性和方便数据计算,将对疲劳度的测试改为对宜人性的评价。 3.7 熟练加速度评价 使用者对仪表不断使用的过程实际上是一个不断训练的过程,在这个过程中,使用者的熟练度将不断提高,读数的准确率和速度也相应提高。因此,考察仪表在使用过程中是否容易掌握,也是仪表显示器人机综合评价很重要的一部分。 根据上述仪表显示器人及评价的主要因素,综合层次分析法,可确定仪表显示器人机综合评价体系,如图1所示。 4 应用验证 某控制面板设计项目具有三种类型的备选仪表,分别是模拟显示器a、模拟显示器b和数字显示器c,其显示界面如图2所示。 对104位工业设计学生(男65名、女39名)进行试验,获得初始数据,如表1所示。 4.1 初始实验数据规范化 按照灰色关联层次分析方法,根据公式对表中的数据进行规范化处理,可得规范化矩阵: 。 4.2 评价因素与理想方案关联系数计算 由规范矩阵易得,理想方案向量x0=(1,1,…,m)。取ρ=0.5,由公式可得: 。 4.3 评价指标权重的确定 根据仪表的实际使用情况,由公式(4)和项目专家评分可得各评价指标和层次的权重系数,如表2所示。 4.4 灰关联度计算 根据公式分别递推计算出三款仪表显示器的灰色关联度 由此可得仪表显示器人机评价优劣次序为:数字显示器c>模拟显示器a>模拟显示器b。 5 结 论 提出了仪表显示器人机评价指标体系,根据灰色关联层次分析模型,综合评价了三款待选仪表显示器的人机性能。通过实验数据计算表明,灰色关联层次分析模型评价结果相对以往的的主观评价和模糊评价,其结果更加客观,结果更加可信,也具有更强的操作性。需要指出的是,根据不同项目的实际情况。有针对性地合理调整评价权重,将会改变最终的评价结果,选取最符合要求的仪表方案。 摘要：为在设计和应用过程中更为科学地选择仪表类型和评价仪表的人机性能,针对仪表显示器人机评价系统多因素、多层次的特点,分析了仪表显示器人机综合评价的主要因素。确立了人机评价指标体系和因素权重,提出了仪表显示器人机评价灰色关联层次分析模型。并通过实际的人机界面设计实例计算表现该评价模型的应用价值。 关键词：灰色关联,层次分析法,仪表显示器,人机评价 参考文献 [1]谢庆森,黄艳群.人机工程学.北京:中国建筑工业出版社,2009 [2]宋慨,王贵成,包锋.工程设计中仪表选型系统的设计.辽宁化工,2003;7:316—317 [3]朱磊,张显奎,杨利芳.汽车仪表板的人机工效多级模糊评价.计算机测量与控制,2004;12(7):654—656 [4]张雪平,殷国富.基于层次灰色关联的产品绿色度评价研究.中国电机工程学报,2005;25(17):77—78 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1根搭铁线。电源来自BSI的F5保险丝。首先检查F5保险丝, 结果保险丝无熔断现象, 并且有电。然后拆卸自动变速器电脑的56V NR插接器, 由于针脚比较细, 万用表表笔较粗, 无法直接测量。于是先用较细的铜丝插入插接器, 然后用万用表测量铜丝的间接方法测线路。测量自动变速器电脑的供电脚56脚, 对地电压为12.3V, 电压正常。断开蓄电池, 测量自动变速器电脑的搭铁脚28脚, 对地电阻为0.2Ω, 搭铁正常。自动变速器电脑供电及搭铁正常, 网络正常, 其它的都是电脑的输出控制或是输入信号, 不影响自动变速器电脑通信问题, 于是怀疑的重点转移到自动变速器电脑上。将故障的自动变速器电脑移植到正常车辆上, 自动变速器工作正常, 挡位显示正常。排除自动变速器电脑自身故障后, 该检查的故障点都检查过了, 都无异常, 维修陷入僵局, 不知如何进行下一步。 故障排除 既然自动变速器电脑自身没有问题, 重新分析电路图后, 只能重新从自动变速器电脑周围元件全面排查。当检查到自动变速器电脑56V NR插接器时, 发现搭铁脚28脚的端子脱出了卡槽, 也就是说自动变速器电脑没有搭铁, 导致自动变速器电脑不工作。重新固定后, 故障排除。 故障分析汽车仪表显示 篇4
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