“汽车转向与危险警报灯电路”虚拟仿真实训系统设计

摘要：本文针对汽车电路故障诊断实训课程中存在的问题，以汽车转向与危险警报灯电路为例，研究虚拟仿真技术在该电路故障诊断实训中的应用方法。作者首先阐述了汽车转向与危险警报灯电路故障诊断实训的基本内容，分析了虚拟仿真实训系统的功能需求，给出了系统总体架构设计方案，然后分别从服务器端、教师端和学生端，详细论述了虚拟仿真实训系统开发的关键技术。通过实际应用表明，教学中采用汽车转向与危险警报灯电路虚拟仿真实训系统能够取得较好的效果。

关键词：汽车电路;故障诊断;虚拟仿真;实训系统

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2022）18-0105-05

引言

随着汽车上电器与电控设备的增多，电路故障在汽车整车故障中所占的比例越来越高。汽车电路实训的目的是加深学生对汽车相关电路的理解，使学生能运用所学知识对故障发生的原因进行分析，并且会使用万用表、示波器等仪器对电路进行故障检测。由于汽车电路通常比较复杂，所以相配套的课程实训设备往往费用比较昂贵，而且日常维护成本较高，长时间使用后还会出现设备老化等问题，这些都给高校的汽车电路实训课程教学造成了很多困难和问题。[1-2]

运用虚拟仿真技术辅助完成高校的实验与实训课程，是近年来我国高校教育信息化领域的一个热点方向。[3-4]虚拟仿真实训系统可以构造出一个虚拟的实训环境或设备，学生通过计算机或手机等终端即可进行虚拟仿真实训，该方式能够有效降低课程教学对高昂实训设备的依赖，并且实施方式自由灵活，可以极大地调动学生的学习积极性，有效解决传统分组实训模式下个别学生吃“大锅饭”的弊端。[5-6]

基于此，本文以一种常见的汽车电路——汽车转向与危险警报灯电路为研究对象，研究汽车电路故障诊断的虚拟仿真实训教学方法。

汽车转向与危险警报灯电路实训教学

汽车转向灯与危险警报灯是汽车中使用频率最高的灯光之一，如在汽车起步、转弯或变换车道时，需要打开转向灯以表示汽车的行驶趋向，提醒周围车辆和行人注意;当接通危险警报开关时，所有转向灯同时闪烁，表示车辆遇到紧急情况，提醒其他车辆避让。因此，转向与危险警报灯能否正常工作对汽车行驶的安全性具有重要影响。[7-8]

汽车转向与危险警报灯电路通常由闪光继电器、转向开关、危险警报灯开关、转向灯和转向指示灯等组成，如下页图1所示。该电路的常见故障现象主要包括转向灯不亮、危险警报灯不亮、转向灯与危险警报灯都不亮、左转向灯不亮、右转向灯不亮等。造成这些故障的可能原因有：线路接触不良、插接器松动、熔断器断路、间歇继电器损坏、危险警报灯开关损坏等。

在汽车电路故障诊断实训教学中，要求学生能够针对汽车电路表现出的故障现象，制订合理的故障检测方案，并运用所学的专业知识对检测结果进行分析，进而找到故障原因。在传统的实训教学模式下，为了让学生得到有针对性的训练，通常在汽车电路实训台上设置若干检测点（如图1中的①～⑨所示），然后学生将点火开关、危险警报灯开关和转向灯开关分别置于不同的档位（如表1所示），再使用万用表依次测量各个点位间的电压，根据测得的一系列电压值，就可以逐步判定故障发生的位置和故障部件，进而完成对汽车转向与危险警报灯电路的故障诊断。

虚拟仿真实训系统总体设计

1.系统功能需求分析

根据汽车电路故障诊断实训的实际教学要求，汽车转向与危险警报灯电路虚拟仿真实训系统应该具备如下功能：①系统具有教师端界面和学生端界面，教师可以在系统后台对实训课程进行管理，学生可以在终端完成课程实训;②教师可以在系统后台进行实训讲解与演示、设置电路故障类型（单一故障或复合故障）、发布实训题目、查看学生实训结果、成绩统计分析、学生故障诊断能力评估等;③学生可以在系统终端查看教师布置的实训题目、切换开关状态、选择电压表检测端子、虚拟测量电压、阶段性故障排除、提交故障诊断结果、查看实训成绩等。

2.系统总体架构设计

汽车转向与危险警报灯电路虚拟仿真实训系统总体上采用“服务器—客户端”架构模式进行设计，如图2所示。

①服务器端。采用SQL Server搭建数据库管理系统，对系统基础数据进行存储与处理。基于IIS平台搭建Web服务器，并对数据库存取引擎、Web页面、基于MVC的服务器端接口程序、业务逻辑处理程序等进行部署。②教师客户端。为了使教师更加方便地完成实训教学管理工作，以Web应用程序的方式，运用ASP.NET（C#）来构建教师客户端。这样，教师在PC端的浏览器上就可以进入系统并完成各种相关操作，简单方便，可视性好。③学生客户端。为了更加方便地组织并实施虚拟仿真实训教学活动，采用Html5+LayUI技术框架开发面向学生的手机端WebAPP，这样学生在手机上就可以轻松进行实训练习，极大地提高了学生实训的便捷性。

虚拟仿真实训系统开发与实现

1.服务器端开发

（1）系统数据库设计

数据库设计是虚拟仿真实训系统开发过程中的一个基础性问题。[9]根据系统的总体功能与要求，在SQL Server中设计了相关的数据表，用于对基础数据进行存储与处理，如下页表2所示。

（2）面向WebAPP的数据接口设计

根据系统功能的设计，学生需要通过手机端进行虚拟仿真实训，因此，在服务器上必须提供面向WebAPP的数据接口，以实现手机端与远程数据库之间的交互。[10-11]

微软ASP.NET MVC架构模式中的Controller控制器可以轻松实现远程连接、数据请求、逻辑处理等功能[12]，因此，笔者采用MVC中的Controller技术开发服务器端的数据接口，部分接口如表3所示。

其中，GetRecords方法的代码如图3所示。

2.教师客户端开发

基于ASP.NET（C#）平台，按照三层架构原则对教师端应用程序进行设计与开发，实现了基于B/S访问模式的后台系统管理功能。①数据访问层：以SQLHelper为基类，对DAL类库进行构建并封装，实现对SQL Server数据库的直接操作。②业务逻辑层：将系统的主要业务处理逻辑进行代码剥离，形成BLL类库，增强系统架构的灵活性。③用户界面层：按照“Top-Left-Main”框架，对系统界面进行分区设计;在信息显示类页面中，大多采用GridView控件对数据源进行绑定;通过JavaScript与Image控件的融合应用，达到汽车电路故障诊断演示操作中的动态效果;通过图表形式，直观展现学生实训成绩的统计情况。部分系统界面如图4、图5所示。

3.学生客户端开发

（1）开发概述

笔者采用Html5+Layui技术框架开发学生手机端WebAPP。运用Html5开发的WebAPP具有跨平台特点，能够兼容Android和IOS操作系统，适配性较好，在手机端程序开发中逐渐获得广泛应用。[13]Layui是开源的模块化前端UI框架，遵循原生Html/CSS/JS的开发方式，为用户提供了简单易用、快速高效的Web UI组件库。[14]学生手机端WebAPP部分界面如图6所示。

（2）汽车电路虚拟仿真实训模块设计

为了使汽车电路虚拟仿真实训效果达到最佳，在WebAPP界面的人机交互技术上进行了如下设计：

①点火开关的状态控制。用image标签显示开关图片，并设置相应的onclick事件处理函数，当学生点击该开关时，根据存储的状态变量值来更换image的图片，这样就能使点火开关很方便地实现闭合/断开的效果切换。

②危险警报灯开关和转向灯开关的档位切换。该功能可以通过动态改变<div>标签背景颜色的方式来实现，并对当前档位状态进行存储记录。

③各转向灯及其指示灯的闪烁效果。为了直观形象地展示汽车转向灯的工作情况，需要对左前转向灯、左后转向灯、左转向指示灯、右前转向灯、右后转向灯以及右转向指示灯的闪烁效果进行设计。在Layui中，提供了通用轮播组件carousel，利用该组件可以使转向灯处的image图片在“亮灯图片”与“熄灭图片”之间进行定时轮播式切换，这样就能实现转向灯“亮—灭”的闪烁效果。

④设置电压表笔的测量端子。在虚拟测量电压时，学生需要将电压表的红表笔和黑表笔分别放在不同的检测端子上以便进行测量。对此，运用radio单选框组件来实现红表笔与黑表笔的选择，运用image图片的onclick事件函数来切换检测端子的状态图片（被放置红表笔—红色图片;被放置黑表笔—黑色图片;未放置表笔—白色图片）。

（3）电压表虚拟测量功能设计

学生对汽车转向与危险警报灯电路进行故障检测，主要是通过电压测量法来判断电路中的故障点。当学生将电压表的红表笔和黑表笔分别放置在电路上的两个检测端子后，系统要能够自动显示出该状态下的电压表读数，即两个检测端子之间的电位差值。[15]当电路故障不同，以及各开关所处状态不同时，各检测端子的电位值也会不同。而该电路可设置的故障部位较多并且可以任意组合，三个开关的状态也可以任意切换，因此各检测端子在不同电路状态下的电位值计算成为一个比较复杂的问题，这也是整个虚拟仿真实训系统的最关键环节。

为了解决该问题，本文对各故障部位的状态、开关不同档位与各检测端子电位值之间的逻辑关系与规律进行了研究与分析，如上页表4所示。Ui（i=1，2，…，9）为图1中①～⑨所示各个检测端子的电位值。学生在具体测量时，根据电路的实际情况和表4所示规律，按照式（1）计算即可。

Ur= U1-U2      （1）

式中：Ur为检测端子间的电压值;U1为红表笔所测端子的电位值;U2为黑表笔所测端子的电位值。

结语

该系统实现了预期设定的功能，学生可以通过手机端进行汽车电路虚拟仿真实训，并将操作过程及结果反馈给教师，教师能够通过系统后台对教学过程进行管理，进而掌握每个学生的实训情况。通过最近两个学期的实际应用，教师和学生们普遍反映较好。

参考文献：

[1]蒋红枫.汽车故障诊断教学中存在的问题与对策[J].电子世界，2019（22）：56-57.

[2]黄海波.汽车电路检测的教学实践[J].电子技术，2020，49（08）：86-87.

[3]郑尧军，冯勇，陈开考，等. 高职汽检专业虚拟仿真实训教学应用研究[J].电脑知识与技术，2015，11（04）：155-156+160.

[4]李丽，武照云.汽车启动电路故障检测虚拟仿真实训系统设计[J].实验室研究与探索，2016，35（10）：76-79.

[5]刘海峰，庞在祥，王晓东，等.新工科背景下智能制造虚拟仿真实训教学平台建设与应用[J].实验技术与管理，2020，37（10）：255-258+262.

[6]朱冬银，吴海浩，李楷.油田集输系统仿真模型教学软件开发及应用[J].实验室研究与探索，2015，34（01）：92-96.

[7]舒华，姚国平.汽车电器设备与维修（第3版）[M].北京：北京理工大学出版社， 2012.

[8]肖艺，潘达.基于Multisim的汽车转向灯电路仿真教学平台设计[J].汽车实用技术， 2018（21）：169-171.

[9]刘国梅.基于物联网的实验室信息管理系统[J].物联网技术，2021，11（04）：53-55.

[10]魏郧华.一个高职学生作业WebAPP系统的设计与实现[J].计算机产品与流通， 2020（02）： 169-170.

[11]杨忠纬.基于WebApp的医学在线考试系统设计与实现[D].南京：东南大学，2018.

[12]王桢毅.基于ASP.NET MVC的教学诊断系统设计与实现[D].杭州：浙江工业大学，2019.

[13]杨艳霞.基于HTML5技术的移动Web前端设计与开发[J].电子技术与软件工程，2020（24）：36-37.

[14]谢香艳.结合playframework与layui框架的高并发竞答系统的设计与实现[J].顺德职业技术学院学报，2020，18（04）：5-8.

[15]李丽，韩建国，武照云.汽车雨刮电路虚拟仿真实训系统开发[J].实验室研究与探索，2016，35（11）：85-88+98.

作者简介：武照云（1981—），男，辽宁铁岭人，教授，博士，研究方向为数字化设计、教育信息化。

基金项目：河南工业大学本科教育教学改革研究与实践项目（JXYJ2021004）;河南工业大学教育科学“十四五”规划项目（2020JKYB03）;河南省高等教育教学改革研究与实践项目（2021SJGLX121Y）。