基于LabVIEW的虚拟汽车仪表盘的设计与实现[20200419161322]
摘要
汽车仪表盘是在汽车生产环节中必不可少的重要部分，可以对汽车运行中的情况进行全方位的显示，以便驾驶员进行判断。但是汽车仪表盘中具体哪些是汽车驾驶员最需要重视的数据，这是一个十分重要的问题。
本篇文章一开始就对汽车仪表盘的设计意义和研究现状展开了概述。在分析玩虚拟汽车仪表盘所需功能之后，设计了一套由LabVIEW为软件核心，外部硬件电路为模拟的虚拟汽车仪表盘设计方案。在外部硬件电路中以光耦电路、热敏电阻电路和压力应变片电路来模拟汽车本身的测量电路，通过虚拟仪器技术提供的EVILS数据通道与LabVIEW软件相连接，在LabVIEW中的程序进行数据处理和显示。简要叙述了检测电路的硬件部分和设计思路。对数据处理的软件部分的设计思路和层次结构进行了详细的介绍。最后，通过软件和硬件的结合测试，表明了，本文中所设计的汽车仪表盘系统可以满足正常汽车的功能需求，并且具有成本低廉、数据处理简单直观和维护简单等优点。
关 键 词：虚拟仪器技术 汽车仪表盘 LabVIEW
Virtual Dashboard Design Based on LabVIEW
Abstract
The dashboard is essential for an important part in automobile production process, can carry out a full range of display of automobile running in time, so that the driver is judged. But the car dashboard which is the driver of the car most in need of attention data, this is a very important problem.
This article is to design the significance and the research status on the dashboard of a car launched overview. After the analysis of playing virtual dashboard functions required by LabVIEW, a set of software design, hardware design scheme of virtual dashboard simulation. To simulate the measurement circuit of the car itself with optocoupler circuits, the thermistor circuit and pressure gauge circuit in the external hardware circuit, connected by EVILS data channel provides the virtual instrument technology and LabVIEW software, in the LabVIEW program for data processing and display. Briefly describes the detection circuit of hardware and design ideas. The design idea and structure of software part of data processing are described in detail. Finally, through testi. Finally, through testing, software and hardware that, in this design, the car dashboard system can meet the functional requirements of normal car, and has the advantages of low cost, simple data processing is intuitive and simple maintenance etc..
Key Words: The virtual instrument technology：dashboard；LabVIEW
第一章 绪论 1
1.1研究背景与意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3本文主要工作 2
第二章 基于LabVIEW的虚拟汽车仪表盘的系统总体设计 3
2.1仪表盘系统功能需求 3
2.2汽车工作时数据测量方法 3
2.2 LabVIEW内部程序处理 4
第三章 基于Labview的虚拟汽车仪表盘的硬件测量电路的设计方案 5
3.1光电开关光耦测频电路 5
3.2热敏电阻温度测量电路 7
3.3压力应变片压力测量电路 8
第四章 基于labview的虚拟汽车仪表盘的软件实现 10
4.1虚拟仪器技术简介 10
4.1.1虚拟仪器的概念 10
4.1.2虚拟仪器的特点 11
4.1.3虚拟仪器在各方面的应用 12
4.2虚拟仪器技术软件LabVIEW简介 12
4.2.1 LabVIEW概述 12
4.2.2 LabVIEW程序组成 13
4.2.3 LabVIEW程序设计步骤 14
4.3 NI ELVIS II数据采集通道 15
4.3.1 NI ELVIS概述 15
4.3.2 ELVIS II性能参数 15
4.3.3差分测量电路和单端测量电路 15
4.4虚拟汽车仪表盘软件实现 17
4.4.1软件设计思想 17
4.4.2软件结构设计 18
4.4.3数据采集通道设计 18
4.4.4转速、速度和里程计设计 19
4.4.5冷却液和冷却液警报设计 20
4.3.6油量显示设计 21
4.4.7汽车左右转灯设计 21
第五章 基于虚拟仪器技术的虚拟汽车仪表盘的测试调试 23
第六章 结论与展望 29
6.1结论 29
6.2展望 29
参考文献 30
致谢 31
第一章 第二章 绪论
1.1研究背景与意义
汽车仪表盘中的仪表是汽车和驾驶员直接进行信息交流的通道，同时也是汽车工业中高端技术的体现，世界上各个国家都在开发汽车仪表技术，技术前进的步伐从未停止。汽车仪表技术正在从电器式和电子式逐渐向数字化和智能化前进，如何使用数字式虚拟仪表代替现阶段通用的电器或电子式仪表已经成为一个十分重要的问题。利用虚拟仪器技术来设计汽车仪表盘，实现集数据采集等多种功能于一身的虚拟仪表盘是实现数字化和智能化的快捷途径。利用外部硬件电路模拟产生汽车本身在运行时所产生的实际信号，再进行信号采集和分析，通过软件技术在虚拟仪表盘上显示各种数据。合理使用虚拟仪器技术来开发汽车仪表盘，不仅可以对仪表盘功能实现高速更新，也可以在设计中降低成本和开发时间。
我国汽车仪表行业在20世纪50年代开始起步，在1956年实现自我生产，现在已经拥有的一定的自主生产和开发的能力，但是仍旧落后于车辆自身的发展。并且与发达国家相比，我国的车用仪表工业在生产和科研实力上仍旧落后，而且有一定的差距。在计算机技术高速发展的今天，加上材料科技的发展和加工技术的更新，传统汽车仪表收到的新的强烈的冲击，使得汽车仪表在不声不响之间就产生了许多变化。
伴随着虚拟仪器技术的发展和成熟，虚拟仪器技术在汽车工业中大量的应用，改善了汽车仪表工业停滞不前的状态，促进了汽车仪表工业的发展。利用虚拟仪器技术开发仪表，提升了硬件使用效率，降低了开发成本。
虚拟仪器是随着计算机技术、现代测量技术、电子仪器技术的发展产生的一种新型仪器。虚拟仪器将计算机资源与仪器硬件、DSP 技术结合，在系统内共享软硬件资源，既有普通仪器的功能，又有一般仪器所没有的特殊功能。利用虚拟仪器思想建立的测试系统提高了测量精度、测量速度，减少了开关、电缆，系统易扩充、易修改，使得测试系统体积小、灵活方便、成本低、效率高，成为现代测试系统发展的主流。
1.2国内外研究现状
我国的汽车仪表经历了机械式、电气式、模拟电子式，正在向数字式仪表前进。在当今电子控制系统广泛应用于车辆本身，车辆信息化与数字化高度集成的现状下，必将提升车辆电气方面的复杂程度，从而导致车辆中电路布线的难度大量提升与缺少足够的空间。对应于该情况便有提高电子信息的利用率的需求，实现大量数据在不同的电子器件之间直接进行交互，并且于主控系统进行交互，对于各个器件之间的数据通信提出了更高的要求。在现在的国内汽车工业中的汽车仪表工业里面存在着产品数字化程度不高、使用时间短等现状，与世界普遍的数字化、信息化以及高效节能舒适的要求相去甚远。现在的高端汽车已经可以做到简单的自我故障检测，GPS导航和实时定位等复杂的数字化的信息服务，最终以汽车的仪表进行显示。这要求了新一代的汽车仪表可以提供很多的信息功能，并且具有高精度、实用性好、小型化等许多优点。而这些要求的实现，最终会依靠电子仪表的发展而实现，故此电子仪表已经成为发展的潮流。
1.3本文主要工作
本文所设计的系统由外部光耦测频电路、压力测量电路、温度测量电路、多功能数据采集卡等硬件，结合LabVIEW虚拟仪器软件平台上搭建的程序组成，实现了汽车仪表面板上各种数据显示的功能。
本文会分为六大部分分别叙述各部分内容：
第一部分： 绪论 结合文献综述，简单的勾勒出了汽车仪表技术的发展，以及虚拟仪器技术的发展和在开发过程的中应用优势，总结了虚拟仪器技术在汽车仪表盘系统的设计与实现中的优势。
第二部分： 汽车仪表盘设计与实现的概述 介绍了在汽车仪表盘所需功能以及外部硬件检测电路的功能，提出总体的设计方案。
第三部分： 外部硬件检测电路介绍 在这个章节中会介绍外部硬件检测电路各个组成部分以及各个部分电路详细指标。
第四部分： 关于虚拟仪器技术软件上的汽车仪表盘的软件实现 本部分主要介绍在虚拟仪器技术软件中的技术特点与图形化编程方式的基础上，如何进行汽车仪表盘的软件实现进行说明。
第五部分：基于虚拟仪器技术的虚拟汽车盘的测试调试 当外部硬件模拟电路和软件计算电路都设计完成的情况下，进行实际运行系统来观察设计好的系统，检测所设计的系统是否能实现预期目标。
第三章 基于LabVIEW的汽车仪表盘的设计与实现系统总体设计
2.1仪表盘系统功能需求
仪表盘上的所显示的数据其实是汽车本身在行驶状态时自身机械数据，是驾驶员了解自己座驾的最直观的方法。但是各项数据都是无法直接获取，需要通过传感器进行检测，变换成可以识别的电信号才能让仪表盘上的仪表所显示出来。所以仪表盘系统应该具有以下功能：
（1）外部电路：在原始机械上安装传感器使得所有的物理量可以转换为电信号的方式，并且容易被计数或者测量。
（2）LabVIEW：在虚拟仪器软件内部，在显示前面板里应该有和显示汽车一致的仪表盘面板，这样可以是人员可以轻易识别数据以及判别数据所对应的车辆参数。在程序后面板里面应该有对应的传感器工作设置数据、对应数据波形的处理以及最终的传输到前面板的仪表中，系统结构图如图2.1所示。
图2.1 系统结构框图
2.2汽车工作时数据测量方法
在实际运行中，汽车本身需要监控的数据种类非常多，由于本设计是虚拟汽车仪表盘的设计和实现所以选取了三个类型的典型的数据进行监测。
第一种是速度类：速度类里面有发动机转速、实时车速和里程计。这一类型的数据并不能直接从机械上获取甚至无法从传感器上获取，只有通过转换的方法才能获得。这一类型的数据利用光电耦合传感器进行计数，认为极小时间段内的计数可以等同于瞬时的数据才能进行模拟。对于固定型号的汽车他们的车胎周长基本也是固定的。所以必定有一套数学上算法可以实现计算转速，再通过转速计算实时的速度和里程。
第二类是温度类：利用热敏电阻在不同温度下阻值的变化来对应温度的变化，并且在异地过的温度范围内，热敏电阻的组织与温度的变换可以近似为线性。所以通过测量热敏电阻的阻值就可以等到我们需要的温度数据。
第三类容积类：对面汽车驾驶员来说，油箱内剩余油料的多少决定了还能行驶多少距离这对驾驶员判断有着即为重要的地位。但是并没有任何办法可以直接获得实时的油料剩余量。但是任何物质本身是有着重量的，重量在固定的面积上可以转换为压力的大小。所以对于测量油料的多少就用到了压力应变片。由于压力的改变直接影响压力应变片的阻值变化，所以这样子就可以与容积进行相互之间的转化。
2.2 LabVIEW内部程序处理
在各个外部电路进行检测数据之后，所有的数据信号经过NI ELVIS的模拟输入通道进入计算机。但是这信号是模拟信号所以需要软件进行取样之后才能进行应用计算。
图2.2软件结构图
该系统的控制核心为LabVIEW虚拟仪器软件平台，LabVIEW软件完成NI ELVIS通道测试参数的设置、运行数据的实时显示、数据结果计算。
第四章 基于LabVIEW的汽车仪表盘的设计与实现外部硬件测量电路的设计方案
根据系统总体结构，硬件电路部分分别由三种不同的测量电路组成：光电开关光耦测频电路、热敏电阻温度测量电路、压力应变片压力测量电路，和高精度的数据采集卡组成。以下对硬件部分进行详细说明。
3.1光电开关光耦测频电路
本次设计采用电动机运行模拟发动机运行，但发动机运动轨迹是圆形，无法直接进行测量。但是利用光栅可以显示出电动机的运行状态。
电路基本原理：
电机的转动带动光栅转动，光栅又控制着光电开关的通断，将电机的转动转换成电压信号。该电压的峰值可达 4.8V 以上，故可不用放大，直接输出至 LM393经比较后，产生 TTL 电压信号，经过 NI ELVIS 的模拟输入通道 AI/O0 送入计算机内进行处理。
图3.1光耦电路电气原理图
光电开关简介：
光电开关是光电传感器的简称，它利用被监测对象对光线的遮挡或者反射，有同步回路选通电路，从而检测物体。物体检测广泛，所有可以遮挡和反射光线的物体均可以被检测。光电开关将输入电流作用于发射器上转换为光信号射出，接受器根据收到的光线强弱或者有无来对目标进行检测。
光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。
图3.2光电耦合器工作原理
LM393简介：LM393 是双电压比较器集成电路。
该电路的特点如下：比较器数:2 工作温度范围:0°C -- +70°C

图3.3LM393实物图片
器件标号:393
通道数:2
逻辑功能号:393
工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源： 2～ 36V， 双电源±1～±18V
消耗电流小， ICC=0.8mA
输入失调电压小， VIO=±2mV
共模输入电压范围宽， VIC=0～VCC-1.5V
输出与TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容
3.2热敏电阻温度测量电路
在汽车运行的时候不仅仅是速度、转速等对发动机和车辆自身速度的指标比较重要，发动机冷却液也是十分重要的。因为汽车的燃油发动机在运行的时候会产生大量的热量，要是没有冷却液来带走发动机产生的大量的热量。那么发动机自己就会因为自身的发热而损坏。但是温度这个物理量在很多的时候人是作为感觉来描述的。并不能精确的说出温度。此时热敏电阻就显示了其优越性。
电路基本原理：
本电路使用的热敏电阻为负温度系数（NTC）型热敏电阻，其阻值随温度的升高而减小，在室温（20℃）时为 100k 左右，手握之后（37℃左右）阻值为 55k左右，在一定温度范围内，热敏电阻的阻值与温度的变换可以近似为线性，据此规律，设计电路，输出与温度对应的电压。经过 OP07 构成的电压跟随器，送入ELVIS 的模拟输入通道 AI/O4。
图3.4热敏电阻电路电气原理图
热敏电阻简介：
热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件．热敏电阻由半导体陶瓷材料组成， 热敏电阻是用半导体材料，大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。
在本该电路中使用的热敏电阻是负温度系数热敏电阻，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料， 采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在10O~1000000欧姆。
3.3压力应变片压力测量电路
对于一个确定的箱体来说，虽然内部陈放的液体是无法直接获得体积的，但是其底面积是确定的，内部的液体也有重量，那么在箱体的底部受到的压力或者压强是随着其内部液体的多少而改变的。那么对于汽车的油箱来说，也可以利用这个办法来实现对油箱内部油料多少进行监控。
电路基本原理：
当加在应变片上的压力变化时，应变片的阻值发生变化，桥式电路输出由此产生的电压信号，电位器 W0601 为空载调零电阻，可以提高系统的精确度。由于压力传感器输出的信号比较微弱，该信号经由 AD260 进行一级放大后，再进入OP07 进行二级放大。电位器 RW0602 和 RW0603 分别为一级放大和二级放大反馈电阻。
图3.5压力应变片电路电气原理图
压力应变片简介：
电阻应变片的工作原理是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，这种现象称为“应变效应”。
将应变片贴在被测定物上，使其随着被测定物的应变一起伸缩，这样里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会随之变化。应变片就是应用这个原理，通过测量电阻的变化而对应变进行测定。一般应变片的敏感栅使用的是铜铬合金，其电阻变化率为常数，与应变成正比例关系。即：
（3.1）
其中，R：应变片原电阻值Ω（欧姆）
ΔR：伸长或压缩所引起的电阻变化Ω（欧姆）
K：应变片的灵敏系数（常量，由应变片的生产厂家提供）
ε：应变系数
OP07简介:
OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性（双电源供电）运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
图3.6实物引脚图
引脚功能说明：
1号和8号管脚为偏置平衡（调零），2号管脚为方向输入端，3号管脚正向输入端，4号管脚接地，5号管脚悬空，6号管脚输出，7号管脚接电源。
第五章 基于虚拟仪器技术的虚拟汽车仪表盘的软件实现
4.1虚拟仪器技术简介
传统仪器技术发展到今天，已经经历了模拟仪器、数字仪器、智能仪器等阶段，从20世纪70年代进入到了虚拟仪器时代。
通常，在进行测试任务时需要很多的仪器，，对于数字电路系统还需要额外的仪器。多种类型的仪器进行购置的资金量大，仪器之间的连接还十分麻烦，并且仪器之间的信号模式的不同会给测量带来不必要的麻烦，使得不复杂的测量变得困难。
要提高电子测量仪器的测量准确度和效率，就要求仪器本身具有自动调节、校准等功能，能自动储存有关数据，需要的时候自动调出等。这些要求传统仪器无法实现，在以前被认为几乎是不可能的。
计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及 ，有力的促进了多年来发展相对缓慢的仪器技术。目前，正在研究的第三代自动测试系统中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密的结合成了一个有机整体，仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化，出现了新的仪器概念—虚拟仪器。由于虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替。
4.1.1虚拟仪器的概念
虚拟仪器（Virtual Instrument,VI）的概念是由美国国家仪器公司提供的，虚拟仪器本质是虚拟显示一个方面的应用结果。也就是说虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，它充分利用计算机系统强大的数据处理能力，在基本硬件的支持下，利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，通过软硬件的配合来实现传统仪器的各种功能，大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储上的限制，使用户可以方便地对仪器进行维护、扩展和升级。
虚拟仪器是基于计算机的仪器，计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向，虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件和硬件。使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台自己设计的专用的传统电子仪器。
在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了实现信号的输入、输出。软件才是整个仪器系统的关键。任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便的改变、增减仪器系统的功能和规模，所以有“软件就是仪器”只说。
虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等，其中，硬件接口可以包括插入式数据采集卡（DAQ）、串/并口、IEEE488接口（GPIB）卡、VXI控制器以及其他接口卡。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。
图4.1虚拟仪器整体结构
4.1.2虚拟仪器的特点
虚拟仪器的最大特点就是将计算机资源与仪器硬件、DSP技术相结合，在系统内共享软硬件资源，打破了以前厂家定义仪器功能的模式，由用户自己定义仪器功能。在虚拟仪器中，是使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程，就可以实现功能完全不同的测量仪器。
(1) 丰富和增强了传统仪器的功能：融合计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。
(2) 突出“软件就是仪器”的新概念：传统仪器的某些硬件在虚拟仪器中被软件所代替，由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立模拟硬件，加上标准化总线的使用，使仪器的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。
(3) 增强仪器系统灵活性：利用计算机丰富的软件资源，实现部分仪器硬件功能的软件化，节省硬件投资，增加了系统的灵活性；通过软件技术和相应数值算法，可实时地对测试数据进行各种分析与处理；通过图形用户界面技术，真正实现界面友好、人机交互。
(4) 开放式体系结构虚拟仪器的软硬件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点：用户可根据自己的需要，选用不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短系统组建时间。为提高测试系统的性能，可以方便地加入或更换一个仪器模块，以最少的硬件投资和少量软件上的升级即可改进已有的系统。
(5) 便于构成复杂的测试系统，经济性好：虚拟仪器既可以作为测试仪器独立使用，又可以通过高速计算机网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、测控与故障诊断。此外，用基于软件体系结构的虚拟仪器代替基于硬件体系结构的传统仪器，还可以大大节约仪器购买和维护的费用。
4.1.3虚拟仪器在各方面的应用
虚拟仪器形同开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展，以提高精确度，降低成本，并大量节省用户开发时间，因此已经在测量领域得到了广泛的应用。
（1） 监控方面
用虚拟仪器系统可以随时采集和记录从传感器来的数据，并对其进行统计、数字滤波、频域分析等处理，从而实现监控功能。
（2） 检测方面
在实验室中，利用虚拟仪器开发工具开发专用的虚拟仪器系统，可以把一台个人计算机变成一组检测仪器，用于数据和图像采集。控制与模拟。教育方面
（3） 教育方面
现在，随着虚拟仪器系统的广泛使用，越来越多的教学部门也开始用它来建立教学系统，不仅大大节省了开支，而且由于虚拟仪器系统具有的灵活，反复使用性强等特点，使得教学方法也更加灵活
（4） 电信方面
由于虚拟仪器具有灵活的图形用户接口和强大的检测功能，同时又能与GPIB和VXI以前兼容，因此很多工程师和研究人员都把它用语电信检测和场地测试。
4.2虚拟仪器技术软件LabVIEW简介
4.2.1 LabVIEW概述
LabVIEW是美国国家仪器公司（简称NI公司）压制的一个功能强大的开发平台，于1982年4月问世，主要是为仪器系统的开发者停工一套能够快捷的建立、监测和修改仪器系统的图形软件系统，1986年推出的LabVIEW for Macintosh引发了仪器工业的革命。1900年1月，LabVIEW正式推出，它提供了图形编译功能，使得LabVIEW中的VI（虚拟仪器）可以与编译C语言一样的速度运行。1992年，LabVIEW多平台版本问世，使它可以在Windows、Macintoch以及Sun Solaris等平台上运行。1993年，LabVIEW3.0版本开发完成，同时提供给用户一个应用系统生成器，它使得LabVIEW的VI变成了一个可以独立运行的程序。经过十多年的发展，我们今天看到的LabVIEW已经成为一个具有直观界面、便于开发、易于学习且具有多种仪器驱动程序和工具库的大型仪器系统开发平台。
4.2.2 LabVIEW程序组成
LabVIEW中的程序称为虚拟仪器程序，简称VI。每个VI都有前面板、框图程序和图标/连接端口三部分组成。前面板是图形化用户界面，包括控制对象和显示对象，即VI程序交互式的输入输出端口，包括数字显示、表头、压力计、热敏外壳、表、图片等。从控制模块上选择需要的对象，放在虚拟仪器的前面板上。典型的LabVIEW前面板开发窗口如图4.2所示。
图4.2前面板窗口
框图程序利用端口、节点、图框和连线等部件对定义在前面板的控制量和指示量进行编程。框图程序的主要由端口、节点以及连线三部分组成。端口是程序框图中传递数据的起点和终点。控件端口用来为前面板上的对象与程序框图传递信息。节点是实现程序功能的基本单元。从功能模块上选择对象，并用线将它们连接起来以便数据进行传递。功能模块上的对象包括简单的数学运算、高级数据采集和分析方法、以及网络和文件输入输出操作。框图程序窗口如图4.3所示。
图4.3框图窗口
图标/连接端口则可以定义一个程序(VI)，它既可以作为主程序，又可以被其他程序调用。
4.2.3 LabVIEW程序设计步骤
LabVIEW是图形化的程序设计，是一种面向对象和数据流的技术，数据流的程序在只有输入有效时对象才开始执行。同样的道理，只有对象实现了自身的功能之后，对象的输出才会有效。总体来说，是各个对象之间的数据流动决定了程序执行的顺序和方向。
编程步骤如下：
（1）首先在前面板中的模版中选择并放置自己所需要的控件，即控制器件和观察器件，然后进行控件的参数调整和文字说明使观察窗口一目了然。
（2）在后面板中放置所需仪器，这里的仪器是指对初始数据进行处理或者运算的控件。可以有纯粹的数学运算也可以有逻辑运算。它们就是流程图中的各个节点。
（3）在后面板中连接各个控件，按照自己需要的顺序或者是处理结果来连接每个控件，实现初始数据按照所需的运行方式到达程序终点。
（4）这一步就是检验所创建的程序是否能够达道要求，这时候就可以运行检验了。但是运行检验有两种方式可以选择：
⒈仿真检验：不使用I/O接口硬件设备。对VI检验运行所需的信号数据采用由“数组”或“信号生成函数”产生的“仿真信号”代替实际硬件设备所产生的信号。
⒉实测检验：通过I/O接口连接实际的硬件设备，采集输入标准信号，检验虚拟仪器的功能。
（5）在前面板中观察数据是否与预计的一致，如果不一致的话可以点击步进与高亮按钮，一步步的执行程序用来观察错误出现的位置，再进行修改。
4.3 NI ELVIS II数据采集通道
在本次设计中，实际的电路数据要传送至计算机运行的软件中进行计算和分析。这一过程中必不可少的要有数据采集的过程。但是数据采集要在实际的电路信号和软件可以识别的数字信号之间进行转化所以，数据采集也是比较重要的部分。
4.3.1 NI ELVIS概述
ELVIS II是一个集成式的设计和原型设计平台，适用于理工类型实验室进行测量、电路、控制和嵌入式教学。
ELVIS II基于灵活、开放式的NI LabVIEW开发平台。它直接使用USB接口和电脑相连接，可以使实验或设计平台易于搭建、维护和携带。其中包含了12中集成仪器：示波器、数字式万用表等。并且与Electronics Workbench Multisim紧密结合，可以形成一整套的电路设计与实验平台。
4.3.2 ELVIS II性能参数
在本次的设计中只用到了模拟输入通道对测量的电路进行接受数据所以仅介绍ELVIS II的模拟输入通道的参数：
通道数：8通道差分或16通道单端
ADC分辨率：16位
最大采样速率：1.25MS/s单通道、1.00MS/s多通道（总和）
输入范围：±10、±5、±2、±1、±0.5、±0.2和±0.1V用于模拟输入
工作电压（信号+共模）：±11V对AIGND
4.3.3差分测量电路和单端测量电路
差分测量电路：
图4.4 差分测量系统
在差分测量系统中，信号输入端与一个模拟输入通道相连接。具有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统，上图描述了一个8通道的差分测量系统，用一个放大器通过模拟多路转换器进行通道间的转换。标有AIGND的管脚就是测量系统的的地。
一个理想的差分测量系统仅能测出（+）和（-）输入端口之间的电位差，完全不亏测量到共模电压。然而，实际应用中的器件却限制了差分系统抵抗共模电压的能力，数据采集卡的共模电压的范围显示了相对于测量系统地的输入电压的波动范围。共模电压的范围关系到一个数据采集卡的性能，可以使用不同的方式来消除共模电压的影响。如果系统共模电压超过允许范围，需要限制信号地与数据采集卡地之间的浮地电压，以避免测量数据错误。
参考地单端测量系统：
图4.5 参考地测量系统
参考地测量系统（RSE）也称为接地测量系统，被测信号一端接模拟输入通道，另一端接系统地AIGND。上图为一个8通道的参考地测量系统。
4.4虚拟汽车仪表盘软件实现
汽车仪表盘软件的主要任务是采集硬件电路数据、数据的处理和运算，计算结果的显示。基于虚拟仪器技术的汽车仪表盘软件部分采用了图形化编程软件LabVIEW来实现。LabVIEW强调的是信号处理的过程，编程十分简单调试起来也很方便。利用LabVIEW来进行设计软件，这样的软件包括显示前面板和程序后面板。前面板实现了仪器的面板与显示，后面板里的图形化的程序测实现了仪器内部的设计和功能。
4.4.1软件设计思想
为了提高软件设计的速度和易于理解的程度，采用了模块化的思路进行设计，把实现不同功能的软件部分分成一个个独立的模块，当需要使用该功能的时候只要保证该模块是打开的就可以了。汽车仪表盘的软件部分可以分为四个部分来分别实现：
（1）数据采集模块：
不管是什么样的软件都是对应着外部信号或者电脑自身模拟出的信号进行处理的。所以数据采集部分是一定会有的。这一模块控制了采集的通道、采样周期、采样频率和幅值的最大最小值。
（2）测频数据处理模块：
在数据采集模块采集到了频率数据之后，就必须对数据进行处理，开始采集进来的数据是模拟量，首先需要在程序内部进行数字滤波，采出所需要的那一部分的数据，然后对频率数据进行计算，分别计算出转速、速度和里程。
（3）温度数据处理模块：
在硬件电路部分提到过，温度的采集并不是真正的得到了当前温度，而是利用负温度系数热敏电阻在不同温度下不同阻值特性来反映温度的变化。所以此时采集到的是热敏电阻的阻值变化量，通过对面的计算公式来计算出当前温度。
（4）压力数据处理模块：
在油料剩余量的采集过程中，也同样是采集的应变片的阻值变化，一样是由对应的数学公式可以计算出，不同的阻值对应的不同的压力，不同压力对应着不同油量。
4.4.2软件结构设计
为了使仪表盘系统更加的容易理解和合理的数据流程，软件采用了顺序执行而不是分支状的选择执行。
图4.6软件结构图
4.4.3数据采集通道设计
图4.7数据采集软件图
在设计之初就已经确定好了需要的数据类型与种类，所以在设置里直接设定了ai0、ai4与ai5三个通道对应了三种信号类型。在AI电压模块里设置了最大值和最小值，在前面板中设置为+5V和-5V。这是和LabVIEW实验板上的实际输出电压设置所对应起来。采样速率和每通道采样点数就是通道的采样速度和次数。最重要的是第四个模块“模拟1D波形N通道N采样”，这个模块可以同时收取3个通道上传输的数据，然后一数组的形式输出，在连接索引数组模块可以直接获得每个通道独立的数据。这样子数据就可以轻松的引入处理和计算部分。最后的两个模块是通道关闭模块这两个模块配合使用。用来关断模拟通道，因为模拟通道采样一次数据之后，然后就不会在此采样了，需要关断后再次打开才能再次接受数据。
4.4.4转速、速度和里程计设计
图4.8转速和速度软件设计图
这是转速表和速度表的设计思路。首先是大于4V或者小于0.5V的或门电路，在实验板上的实际电路输出电压0至+5V决定的，在4V和0.5V之间就说明了光耦电路上有信号输入是连续的，这是所需要的诗句，而过高或者过低的数据会被电路所舍弃掉。
转速表上的数据直接使用数据通道里的数据作为转速表上所显示的值，速度表上的数值就需要计算一下了。由于对应确定车型的车胎来说，车胎的周长是固定的，这里使用了0.5M模拟车辆车胎的周长，然后乘上小时和除以千米，
速度：（KM/H）=转速（r/s）*3600(s)/1000(M) (4.1)
这是就可以从米/秒的单位转化为千米/小时的单位上了。
图4.9里程表软件设计图
这是里程表的设计思想，由于测频电路没有办法实际累加次数，所以我使用了逼近法，利用极短的时间间隔开始速度假定为实际速度，来计算里程。这里取的时间间隔100ms。然后利用移位寄存器来进行累加。
图4.10电机转速控制软件设计图
电机是模拟汽车实际上发动机工作的，而电机的速度要依靠自己的程序进行控制，这样就可以直观看到电机工作状态，然后可以和各个表盘上数据进行对比和测试。
中间的NI ELVISmx是可以进行输出设置，在里面可以对想要数据进行控制，达到使外部电路达到预期效果。
4.4.5冷却液和冷却液警报设计
图4.11冷却液和冷却液警报软件设计图
在这个里面使用了公式编辑器，对应与热敏电阻的阻值和温度变化之间的关系这是由生产厂家由实验给出的公式，个人是不能对其进行更改的。
温度（℃）=(-1/0.04452)*ln(x/10.63088)-15 （4.2）
在大于23℃的判断程序其实是一个温度限制报警，这是一个模拟温度超限制的一部分在超出限制温度之后在布尔量分支结构中在其为真的时候进行显示报警。
4.3.6油量显示设计
图4.12油量显示设计图
在这个数据处理模块里面大于-5表示了压力应变模块反向了之后不取值。在实验面板上压力测试，实际上是一根金属棒，并没有正向和反向只说，但是我们在实际应用中只能应用一个方向的压力值，另一个方向对我们来时没有任何用处，所以用大于-5的手段排除一个方向上形变产生的压力值。
由于在实际的汽车中油箱的底面积是固定的，油箱形状也是固定的，所以油量的多少与底面上所受到的压力是有固定的比例系数的而这个正是模拟预设的系数。但是在实际电路中，压力传感器最多可以传递2KG的压力，所以乘以50之后的输出作为模拟的油量输出
4.4.7汽车左右转灯设计
图4.13汽车左右转向灯软件设计图
这个部分是设置汽车转向灯的软件部分，，汽车的转向灯在左右转向时需要单端闪烁和紧急情况的同时闪烁。。利用左右和双跳开关之间的互锁保证了在同一时刻只能有一种闪烁模式开启。然后利用顺序结构使灯先点亮在熄灭，外加WHILE循环使得只要开关按下，就可以一直实现闪烁功能。
第六章 基于虚拟仪器技术的虚拟汽车仪表盘的测试调试
当硬件和软件全部设计完成之后，最重要部分便是实际检测自己设计是否能够达到预期目标。
图5.1 LabVIEW实验板
本次设计可以利用LabVIEW实验板来进行测试，该测试板上拥有光耦测频电路、热敏电阻电路和压力传感器电路。①号红框部分就是光耦测频电路，②号红框热敏电阻电路，③号红框是压力传感器电路，④号红框是小电机用来模拟汽车发动机运动。
在进行实验之前先需要对EVILS数据通道进行设置，然后按找实验板上的要求接好电源和USB，在依次打开实验板的电源和数据开关，这是实验板就可以与LabVIEW程序连接上了。
这时进入LabVIEW软件中，就可以点击运行按钮运行程序了。
图5.2LabVIEW前面板图
这个时刻程序刚刚开始执行但是电机并未开始运转的画面，如图5.2所示。
图5.3电机启动后转速和速度表显示图
电机开始运转，转速表与速度表显示当前电机转速和转化之后速度，并用指针指示当前数据，如图5.3所示。
图5.4冷却液温度未报警图
图5.5冷却液温度报警图
在图5.4和图5.5中红框部分可以很明确的看出冷却液温度警报指示灯由绿色变成了红色，这样就可以很明确的提醒驾驶员冷却液温度过高，需要停车检修了。
图5.6里程计累计里程图
在图5.6中的红色框中的里程部分可以很明显看出与冷却液警报部分的图5.4和图5.5中的数字有所改变，这就是里程自动自加并且进行显示。
图5.7油量计显示图
在图5.7中的红框部分，软件后台运算了压力数据之后在油量显示里面用液柱的高度直观的显示了剩余油量的多少。
图5.8左右转向灯双跳图
汽车紧急状态下，在路边停车是需要打开双黄灯闪烁，这就是人们常说的双跳灯，图5.8所示为双跳灯测试图。
在测试中，所有功能都十分成功的运行，并且与预计的要求一致，成功的完成了设计要求和指标，完全实现了汽车仪表盘的基本功能和预期目的。
第七章 结论与展望
6.1结论
虚拟仪器技术在各行各业中有着非常广泛的受众基础，它直观化与模块化的图形编程语言，是让它容易上手使用的秘诀。LabVIEW图形化的编程语言和程序各个框图能直接的自然的让人看懂和理解数据流向和处理过程，同时前面板也可以直接利用已经制作好的显示控件，使查看理解数据更加的轻松。在LabVIEW中搭建各种检测与数据系统在各种行业和技术员手中是非常流行的事物。
本片文章介绍了如何使用LabVIEW软件结合硬件电路设计制作出一副汽车仪表盘系统。本系统搭建于LabVIEW软件平台上，使用了光耦测频电路、热敏电阻测温电路，压力应变片电路组合而成。通过了EVILS数据采集系统来来连接软件和硬件电路，是两个部分组成了一个有机整体，实现了汽车仪表盘的功能，为以后的扩展留下了足够的空间。该系统结构简单实用，实时监控，扩展方便，有十分广大的应用前景。
6.2展望
在我国经济腾飞的今天，各行各业都在高速发展，但是高速发展的同时如果没有好的开发工具那将会拖慢开发进度，那势必会拖延产品的更新换代，技术的发展也会因此放慢步调。LabVIEW这种强调集成化，模块化的开发软件刚好符合的现代化开发模式的需求。
现在可以利用虚拟仪器技术和小型的模拟电路相结合的模式合理的运用到开发汽车仪表盘系统中，有利于提高了开发过程中的模块化的设计和思路，有利于提高开发人员更加直观的观察数据流向处理过程，有利于设计过程的错误检测和实际运用的操作难度，有利于节省硬件设备的开销和避免许多设备之间数据转换的问题，有利于减轻各种仪器更新所带来的各项支出。使用虚拟仪器技术和LabVIEW软件来取代老旧的传统仪器已经是测试开发领域中不可避免的趋势。在实际开发和测试过程中，某些老旧的仪器依然必不可少，所以程序的优化和软硬件之间相互结合是虚拟仪器技术发挥更高性能的必要保障。
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致谢
在大学四年的尾声中，我完成了自己的毕业设计和毕业论文。在这些年的学习和生活中，我学到了很多同时也收获了很多。关于毕业设计，我在完成的过程中老师和同学给予了我许多的帮助。
在这首先需要感谢我的指导老师—徐伟老师。我的毕业设计使用的LabVIEW程序开发软件，对于这个软件我是一点没有了解与学习过，完完全全是从零开始，而徐伟老师从我自学LabVIEW开始就给予悉心的指导和仔细的讲解。由于没有接触过LabVIEW这种图形化的编程思想同时由于单片机C语言编程思想的固定思路，使得我一开始的上手十分困难，程序逻辑方面完全就是一团浆糊，怎么都不能理清思路。徐伟老师向我推荐了几本LabVIEW编程实例详解方面的书籍让我仔细研读，再配合老师亲自讲解，使得我掌握程度快速提高，为自己编程打下一个有力的基础。在实际测试方面，徐伟老师详细的讲解了实验板的使用方法和注意事项，给我了一个有利的测试环境。
然后就是我的同学们，虽然他们也没有了解或学习过LabVIEW，但是他们也和我一起思考和讨论，让我打开了思路，让我在毕业设计上走的更加轻松。
感谢一切帮助过我的人或事，是你们塑造了现在的我。而我将以这个样子走上社会去迎接更大的挑战。
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