CN111402663A - 一种半实物仿真的车载总线系统教学及故障诊断实训平台 - Google Patents

Abstract

一种半实物仿真的车载总线系统教学及故障诊断实训平台，由计算机仿真组件、显示和语音组件、信息交换组件、虚拟传感信号反馈组件、车载总线模块及功能节点、汽车操纵控制装置、显示仪表、车载电源模块、实训台位组成，本发明采用半实物的形式，车载总线模块、汽车操纵控制装置及显示仪表全部采用真实的装车设备，车载总线网络各功能节点的传感器和执行机构采用计算机虚拟图形技术实现，在教学过程中，能源消耗较少，部件磨损极小，故障设置在计算机仿真组件中的软件进行设置，传感器及执行机构采用虚拟部件，可方便实现故障模拟，特别适合教学场景中反复使用，以较低成本和低危险性完成教学活动，提高了教学的智能化水平。

Description

一种半实物仿真的车载总线系统教学及故障诊断实训平台

技术领域

本发明主要涉及教学设备技术领域，特别涉及一种半实物仿真的车载总线系统教学及故障诊断实训平台。

背景技术

随着汽车电控技术的不断发展，传统的点对点布线设计已不能满足现代汽车控制的要求，为解决线束剧增带来的布线困难、检修麻烦、干扰严重及稳定性不佳等问题，当前车辆的电子控制普遍基于车载总线网络，这一技术革新在提高车辆控制性能的同时也使得业内对车辆电子控制系统的设计、生产和维护人才的需求大大增加。

基于巨大的人才需求，国内很多高校及职业类院校都开设了汽车电子控制技术相关课程，在教学或者实验实训过程中，要么将车辆总线系统安装在教学实验台位面板上进行车辆电控系统模拟，要么采用实车进行教学，国内专利：一种客车CAN总线实物教学模型，专利号201620336902.7，提供了一种用于教学的汽车总线实物教学模型，用于车载网络故障排除训练，国内专利：汽车车身网络控制系统教学实验平台，专利号201210389158.3，提供了一种汽车车身网络控制系统教学实验平台，采用仿真车身及实车总线网络，实现了汽车车身网络控制系统的实验教学，然而，当前的教学方式或者教学设备都存在一定的不足，采用教学实验台位面板的方式基于成本、空间等因素往往只是安装了总线系统及电子电气元件而忽视了机械执行元件，车辆的电控和机械机构是一个整体，完全脱离机械机构的教学将使学生对车辆控制缺乏整体认识，采用实车作为教学设备的方式也存在不足，比如实车的空间较为狭小，不利于多人教学的开展，特别是学校的初级入门教学来说，实车设备教学的效率偏低，且目前公开的技术手段多用于原理性教学过程，鲜有针对车载总线系统故障检修教学的技术手段。

因此，在车载总线系统技术教学过程中，迫切需要一种既能方便学校大规模教学开展，又不失汽车控制原理整体认知，且能在故障检修教学过程中能方便、智能设置故障的教学手段和教学设备，在较少的设备成本和空间占用的同时实现更好效果的教学和技能培训。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种能兼顾技能培训效果和资源投入的半实物仿真的车载总线系统教学及故障诊断实训平台。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种半实物仿真的车载总线系统教学及故障诊断实训平台，由计算机仿真组件、显示和语音组件、信息交换组件、虚拟传感信号反馈组件、车载总线模块及功能节点、汽车操纵控制装置、显示仪表、车载电源模块、实训台位组成，车载总线模块及功能节点、汽车操纵控制装置和显示仪表全部采用实车部件并按照实车结构安装在实训台位上，车载总线模块、汽车操纵控制装置及显示仪表的机械和电气连接遵循实车连接关系，车载电源模块为车载总线模块及功能节点、汽车操纵控制装置和显示仪表供电，车载总线模块的各功能节点的输出口接信息交换组件数据采集接口，信息交换组件的串行通讯口与计算机仿真组件串行通讯口连接，信息交换组件数据输出接口接虚拟传感信号反馈组件的信号输入接口，虚拟传感信号反馈组件的信号输出接口接车载总线各功能节点的传感信号输入接口，显示和语音组件分别接计算机仿真组件显示和语音输出接口；汽车操纵控制装置的操纵和控制信号通过车载总线网络传递至各功能节点，车载总线模块各功能节点根据原车控制逻辑输出执行机构控制量和信号，信息交换组件采集到该控制量和信号然后输送至计算机仿真组件，计算机仿真组件获取到各功能节点对执行机构的控制量和信号后在虚拟场景中驱动虚拟执行机构模型产生相应动作，并通过显示及声音组件显示出来并播放对应音效文件，计算机仿真组件中各虚拟传感器实时产生传感数据，并通过信息交换组件输送至虚拟传感信号反馈组件，虚拟传感信号反馈组件将各虚拟传感器反馈的数据转换成真实的电信号，然后输送至各功能节点的传感信号输入接口，真实电信号进入车辆总线网络，完成虚实结合的闭环。

优选地，车载总线模块包括真实车辆总线网络及各功能节点，功能节点包括但不限定于发动机控制节点、自动变速器控制节点、ABS控制节点、大灯照程控制节点、转向助力控制节点、安全气囊控制节点、转向柱开关节点、防盗报警节点、中央电器控制节点、自动空调控制节点、座椅控制节点、车门控制节点、倒车警报控制节点、雨刷控制节点、数字式组合音响控制节点、仪表控制节点、网关及故障诊断节点等，车载总线模块内部连接方式与真实车辆一致。

优选地，汽车操纵控制装置包括汽车操纵控制所用到的按钮和机构，包括但不限定于点火开关、雨刷操纵杆及开关、转向操纵杆及开关、方向盘机构、油门踏板、刹车踏板、档位手柄、安全带开关、ESP开关、中央电器控制开关组合等，其与各功能节点的机械及电气连接方式与真实车辆一致。

优选地，数据交换组件包括控制器、数据采集模块、双向数据传输模块、数据输出模块，数据采集模块的数据采集口接车载总线网络上的各总线节点的执行机构输出口，数据采集模块的数据输出口接控制器，双向数据传输接口模块连接控制器与仿真计算机组件，数据输出模块连接控制器与虚拟传感信号反馈组件。

优选地，汽车部件三维模型为车载总线网络各功能节点所控制的执行机构模型，包括但不限定于发动机模型、自动变速器模型、ABS机构模型、大灯照程机构模型、转向助力机构模型、安全气囊机构模型、防盗报警机构模型、自动空调机构模型、座椅机构模型、车门机构模型、倒车警报机构模型、雨刷机构模型、数字式组合音响机构模型等。

优选地，虚拟传感信号反馈组件包括数字量反馈通道、模拟量反馈通道和开关量反馈通道，用于将虚拟场景中各虚拟传感器数据还原成真实的传感器电信号，反馈至车载总线模块各功能节点，车载总线网络各功能节点接受电信号完成控制功能。

优选地，故障诊断功能用于各功能节点传感器故障和执行机构故障诊断，计算机仿真组件根据故障设置控制虚拟传感器反馈错误值，该值经数据交换组件和虚拟传感信号反馈组件将信号反馈至各功能节点及车载总线系统，学员可使用原车故障诊断工具进行传感器故障和执行机构故障诊断练习。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的一种半实物仿真的车载总线系统教学及故障诊断实训平台采用计算机图形处理技术，将传感器和执行机构进行计算机虚拟化，无噪音无排放无污染，本发明采用半实物的形式，车载总线模块、汽车操纵控制装置及显示仪表全部采用真实的装车设备，可针对车辆总线网络系统的教学、故障检修相关技能进行近实战的训练，技能训练真实度较高，由于车载总线网络各功能节点所控制的执行机构采用了计算机虚拟图形技术实现，在教学过程中，能源消耗较少，部件磨损极小，车辆总线网络采用开放式平面布置，避免了实车空间较为狭小，不利于多人教学的开展等问题，故障设置在计算机仿真组件中的软件进行设置，传感器及执行机构采用虚拟部件，可方便实现故障模拟，特别适合教学场景中反复使用，以较低成本和低危险性完成教学活动，提高了教学的智能化水平。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明数据交换组件结构示意图。

图3为本发明虚拟传感信号反馈组件结构示意图。

图4为本发明数据流向示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1至图4所示，一种半实物仿真的车载总线系统教学及故障诊断实训平台，由计算机仿真组件、显示和语音组件、信息交换组件、虚拟传感信号反馈组件、车载总线模块及功能节点、汽车操纵控制装置、显示仪表、车载电源模块、实训台位组成，车载总线模块及功能节点、汽车操纵控制装置和显示仪表全部采用实车部件并按照实车结构安装在实训台位上，车载总线模块、汽车操纵控制装置及显示仪表的机械和电气连接遵循实车连接关系，车载电源模块为车载总线模块及功能节点、汽车操纵控制装置和显示仪表供电，车载总线模块的各功能节点的输出口接信息交换组件数据采集接口，信息交换组件的串行通讯口与计算机仿真组件串行通讯口连接，信息交换组件数据输出接口接虚拟传感信号反馈组件的信号输入接口，虚拟传感信号反馈组件的信号输出接口接车载总线各功能节点的传感信号输入接口，显示和语音组件分别接计算机仿真组件显示和语音输出接口；汽车操纵控制装置的操纵和控制信号通过车载总线网络传递至各功能节点，车载总线模块各功能节点根据原车控制逻辑输出执行机构控制量和信号，信息交换组件采集到该控制量和信号然后输送至计算机仿真组件，计算机仿真组件获取到各功能节点对执行机构的控制量和信号后在虚拟场景中驱动虚拟执行机构模型产生相应动作，并通过显示及声音组件显示出来并播放对应音效文件，计算机仿真组件中各虚拟传感器实时产生传感数据，并通过信息交换组件输送至虚拟传感信号反馈组件，虚拟传感信号反馈组件将各虚拟传感器反馈的数据转换成真实的电信号，然后输送至各功能节点的传感信号输入接口，真实电信号进入车辆总线网络，完成虚实结合的闭环。

本实施例中，车载总线模块包括真实车辆总线网络及各功能节点，功能节点包括但不限定于发动机控制节点、自动变速器控制节点、ABS控制节点、大灯照程控制节点、转向助力控制节点、安全气囊控制节点、转向柱开关节点、防盗报警节点、中央电器控制节点、自动空调控制节点、座椅控制节点、车门控制节点、倒车警报控制节点、雨刷控制节点、数字式组合音响控制节点、仪表控制节点、网关及故障诊断节点等，车载总线模块内部连接方式与真实车辆一致。

本实施例中，汽车操纵控制装置包括汽车操纵控制所用到的按钮和机构，包括但不限定于点火开关、雨刷操纵杆及开关、转向操纵杆及开关、方向盘机构、油门踏板、刹车踏板、档位手柄、安全带开关、ESP开关、中央电器控制开关组合等，其与各功能节点的机械及电气连接方式与真实车辆一致。

本实施例中，数据交换组件包括控制器、数据采集模块、双向数据传输模块、数据输出模块，数据采集模块的数据采集口接车载总线网络上的各总线节点的执行机构输出口，数据采集模块的数据输出口接控制器，双向数据传输接口模块连接控制器与仿真计算机组件，数据输出模块连接控制器与虚拟传感信号反馈组件。

本实施例中，汽车部件三维模型为车载总线网络各功能节点所控制的执行机构模型，包括但不限定于发动机模型、自动变速器模型、ABS机构模型、大灯照程机构模型、转向助力机构模型、安全气囊机构模型、防盗报警机构模型、自动空调机构模型、座椅机构模型、车门机构模型、倒车警报机构模型、雨刷机构模型、数字式组合音响机构模型等。

本实施例中，虚拟传感信号反馈组件包括数字量反馈通道、模拟量反馈通道和开关量反馈通道，用于将虚拟场景中各虚拟传感器数据还原成真实的传感器电信号，反馈至车载总线模块各功能节点，车载总线网络各功能节点接受电信号完成控制功能。

本实施例中，故障诊断功能用于各功能节点传感器故障和执行机构故障诊断，计算机仿真组件根据故障设置控制虚拟传感器反馈错误值，该值经数据交换组件和虚拟传感信号反馈组件将信号反馈至各功能节点及车载总线系统，学员可使用原车故障诊断工具进行传感器故障和执行机构故障诊断练习。

下面以ABS控制节点为例来说明半实物仿真的车载总线系统教学及故障诊断实训平台的结构原理及工作过程：ABS控制节点主要组成为1个控制单元、1个ESP 按钮开关，在计算机仿真组件中设置有6个虚拟传感器和2个虚拟执行机构，虚拟传感器分别为轮速传感器、制动压力传感器、传感器组合、制动油压传感器，虚拟执行机构分别为ABS液压单元、ABS回油泵；ABS控制节点的控制单元与总线系统及ESP 按钮开关的连接方式与原车都保持一致，本节点控制单元的控制输出口接数据交换组件的数据采集模块，节点控制单元的传感器输入口接虚拟传感信号反馈组件的输出口，虚拟传感信号反馈组件的输入口接数据交换组件的数据输出模块，数据交换组件的双向数据传输模块接仿真计算机组件；系统启动后，ABS控制节点开始工作，计算机仿真组件中虚拟的轮速传感器、制动压力传感器、传感器组合、制动油压传感器根据预设值同步输出数据，数据交换组件将数据输送至虚拟传感信号反馈组件，虚拟传感信号反馈组件将虚拟传感器输送来的数据转变成真实电信号，节点的控制单元根据原车控制逻辑输出控制量，数据交换组件将该输出控制量转换成数据传输至计算机仿真组件，计算机仿真组件驱动虚拟场景中虚拟ABS液压单元和虚拟ABS回油泵产生相应动作；进行故障诊断教学时，计算机仿真组件中ABS虚拟传感器反馈预设的错误数据，ABS控制节点将错误信息发送至总线网络，学员通过故障诊断工具从故障诊断节点读取ABS控制节点故障代码进行故障诊断技能学习。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种半实物仿真的车载总线系统教学及故障诊断实训平台，其特征在于，由计算机仿真组件、显示和语音组件、信息交换组件、虚拟传感信号反馈组件、车载总线模块及功能节点、汽车操纵控制装置、显示仪表、车载电源模块、实训台位组成，所述车载总线模块及功能节点、所述汽车操纵控制装置和所述显示仪表全部采用实车部件并按照实车结构安装在所述实训台位上，所述车载总线模块、所述汽车操纵控制装置及所述显示仪表的机械和电气连接遵循实车连接关系，所述车载电源模块为所述车载总线模块及功能节点、所述汽车操纵控制装置和所述显示仪表供电，所述车载总线模块的各功能节点的输出口接所述信息交换组件数据采集接口，所述信息交换组件的串行通讯口与所述计算机仿真组件串行通讯口连接，所述信息交换组件数据输出接口接所述虚拟传感信号反馈组件的信号输入接口，所述虚拟传感信号反馈组件的信号输出接口接所述车载总线各功能节点的传感信号输入接口，所述显示和语音组件分别接所述计算机仿真组件显示和语音输出接口，所述汽车操纵控制装置的操纵和控制信号通过车载总线网络传递至各功能节点，车载总线模块各功能节点根据原车控制逻辑输出执行机构控制量和信号，所述信息交换组件采集到该控制量和信号然后输送至所述计算机仿真组件，所述计算机仿真组件获取到各功能节点对执行机构的控制量和信号后在虚拟场景中驱动虚拟执行机构模型产生相应动作，并通过显示及声音组件显示出来并播放对应音效文件，所述计算机仿真组件中各虚拟传感器实时产生传感数据，并通过所述信息交换组件输送至所述虚拟传感信号反馈组件，所述虚拟传感信号反馈组件将各虚拟传感器反馈的数据转换成真实的电信号，然后输送至各功能节点的传感信号输入接口，真实电信号进入车辆总线网络，完成虚实结合的闭环。

2.根据权利要求1所述的半实物仿真的车载总线系统教学及故障诊断实训平台，其特征在于，所述车载总线模块包括真实车辆总线网络及各功能节点，功能节点包括但不限定于发动机控制节点、自动变速器控制节点、ABS控制节点、大灯照程控制节点、转向助力控制节点、安全气囊控制节点、转向柱开关节点、防盗报警节点、中央电器控制节点、自动空调控制节点、座椅控制节点、车门控制节点、倒车警报控制节点、雨刷控制节点、数字式组合音响控制节点、仪表控制节点、网关及故障诊断节点等，车载总线模块内部连接方式与真实车辆一致。

3.根据权利要求1所述的半实物仿真的车载总线系统教学及故障诊断实训平台，其特征在于，所述汽车操纵控制装置包括汽车操纵控制所用到的按钮和机构，包括但不限定于点火开关、雨刷操纵杆及开关、转向操纵杆及开关、方向盘机构、油门踏板、刹车踏板、档位手柄、安全带开关、ESP开关、中央电器控制开关组合等，其与各功能节点的机械及电气连接方式与真实车辆一致。

4.根据权利要求1所述的半实物仿真的车载总线系统教学及故障诊断实训平台，其特征在于，所述数据交换组件包括控制器、数据采集模块、双向数据传输模块、数据输出模块，数据采集模块的数据采集口接车载总线网络上的各总线节点的执行机构输出口，数据采集模块的数据输出口接控制器，双向数据传输接口模块连接控制器与仿真计算机组件，数据输出模块连接控制器与虚拟传感信号反馈组件。

5.根据权利要求1所述的半实物仿真的车载总线系统教学及故障诊断实训平台，其特征在于，所述汽车部件三维模型为车载总线网络各功能节点所控制的执行机构模型，包括但不限定于发动机模型、自动变速器模型、ABS机构模型、大灯照程机构模型、转向助力机构模型、安全气囊机构模型、防盗报警机构模型、自动空调机构模型、座椅机构模型、车门机构模型、倒车警报机构模型、雨刷机构模型、数字式组合音响机构模型等。

6.根据权利要求1所述的半实物仿真的车载总线系统教学及故障诊断实训平台，其特征在于，所述虚拟传感信号反馈组件包括数字量反馈通道、模拟量反馈通道和开关量反馈通道，用于将虚拟场景中各虚拟传感器数据还原成真实的传感器电信号，反馈至车载总线模块各功能节点，车载总线网络各功能节点接受电信号完成控制功能。

7.根据权利要求1所述的半实物仿真的车载总线系统教学及故障诊断实训平台，其特征在于，所述故障诊断功能用于各功能节点传感器故障和执行机构故障诊断，计算机仿真组件根据故障设置控制虚拟传感器反馈错误值，该值经数据交换组件和虚拟传感信号反馈组件将信号反馈至各功能节点及车载总线系统，学员可使用原车故障诊断工具进行传感器故障和执行机构故障诊断练习。

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