余 燕 娟

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建 漳州 363000)

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基于VC++的汽車(chē)虛擬儀表設(shè)計(jì)與應(yīng)用

余 燕 娟

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建 漳州 363000)

虛擬儀表技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀表技術(shù)結(jié)合的新興技術(shù)，其低成本、高效率的特點(diǎn)在瞬息萬(wàn)變的汽車(chē)監(jiān)測(cè)行業(yè)體現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)基于VC++的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)平臺(tái)，利用MFC可視化、框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采取面向?qū)ο蟮腃++語(yǔ)言結(jié)合圖形處理軟件PlotLab。該設(shè)計(jì)具有通用性高、可擴(kuò)展性好的特點(diǎn)，已成功通過(guò)測(cè)試并且運(yùn)行穩(wěn)定。

虛擬儀表 VC++ 面向?qū)ο?PlotLab

0 引 言

汽車(chē)儀表作為人與汽車(chē)的溝通平臺(tái)，其精準(zhǔn)性與穩(wěn)定性關(guān)乎行車(chē)人員安全以及對(duì)于運(yùn)行的判斷。隨著國(guó)內(nèi)外汽車(chē)行業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車(chē)種類(lèi)也跟著層出不窮，不同型號(hào)的汽車(chē)中使用的儀表及指示器的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、工作原理各不相同。因此汽車(chē)儀表的檢測(cè)工作就常暴露出以下幾個(gè)問(wèn)題：同一車(chē)輛不同儀表需分開(kāi)進(jìn)行測(cè)試；不同車(chē)輛的儀表型號(hào)區(qū)別導(dǎo)致硬件檢測(cè)平臺(tái)也要相應(yīng)更換；檢測(cè)儀表設(shè)備價(jià)格昂貴、故障率較高。汽車(chē)儀表檢測(cè)呈現(xiàn)出檢測(cè)成本高、通用性差、檢測(cè)操作復(fù)雜等缺點(diǎn)[1,6-9]。

目前汽車(chē)儀表逐步向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化發(fā)展[1]。計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀表儀器技術(shù)的完美結(jié)合誕生了虛擬儀表，汽車(chē)虛擬儀器設(shè)計(jì)也應(yīng)運(yùn)而生。相對(duì)汽車(chē)常規(guī)儀表，軟件虛擬儀表具備其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其性能高、故障率低、成本低，同時(shí)用戶可根據(jù)需求輕松更改調(diào)試項(xiàng)目，因此汽車(chē)虛擬儀表更能適應(yīng)當(dāng)前瞬息萬(wàn)變的汽車(chē)市場(chǎng)[2-14]。

1 面向?qū)ο笸瓿商摂M儀表類(lèi)的設(shè)計(jì)

1.1 面向?qū)ο蠹夹g(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)及虛擬儀表類(lèi)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)汽車(chē)檢測(cè)的虛擬仿制常使用Matlab工具，此方式只能觀測(cè)到數(shù)據(jù)曲線，對(duì)汽車(chē)的儀表的真實(shí)情況及制動(dòng)過(guò)程和方法不得而知，對(duì)于儀表測(cè)試人員而言，這種用戶體驗(yàn)并非最佳狀態(tài)[2]。為提高用戶測(cè)試的可視性，本文的設(shè)計(jì)構(gòu)建在窗口化界面基礎(chǔ)之上，利用VC++的圖形繪制的優(yōu)勢(shì)，完成汽車(chē)儀表的真實(shí)模擬。

本設(shè)計(jì)在VS2010開(kāi)發(fā)環(huán)境下，基于MFC結(jié)構(gòu)化窗體設(shè)計(jì)模式，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方式，利用封裝、繼承、多態(tài)等特性，實(shí)現(xiàn)通過(guò)儀表類(lèi)的設(shè)計(jì)。面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方式將客觀事物的共性形成集合類(lèi)，對(duì)象可根據(jù)自身特性和運(yùn)行規(guī)律對(duì)類(lèi)進(jìn)行派生和繼承，子類(lèi)可增加對(duì)象的特性函數(shù)，保證了共有特點(diǎn)的繼承和本身獨(dú)有特點(diǎn)。這種方式具有結(jié)構(gòu)清晰、可重復(fù)性好[3]。本文根據(jù)實(shí)際儀表測(cè)試特點(diǎn)設(shè)計(jì)了可供用戶調(diào)用的基礎(chǔ)儀表類(lèi)，用戶根據(jù)需求可調(diào)用本設(shè)計(jì)的儀表類(lèi)，完成測(cè)試軟件的編程，從而縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。基于本文虛擬儀表的軟件設(shè)計(jì)在開(kāi)發(fā)效率、穩(wěn)定性及可靠性上顯示出了優(yōu)勢(shì)[4]。

汽車(chē)儀表檢測(cè)平臺(tái)常測(cè)試的項(xiàng)目包括汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表、里程速度表、汽油表、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫表、制動(dòng)及報(bào)警等。為了降低代碼冗余，保證代碼可重復(fù)性和使用效率，程序?qū)⒏鲀x表測(cè)試內(nèi)容分裝成了類(lèi)：CCarMeter、CCarGauge、CAlarm等。其中，用戶可選擇CCarMeter類(lèi)實(shí)現(xiàn)圓形儀表設(shè)計(jì)，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表、里程速度表，也可以選擇CCarGauge類(lèi)可完成汽油表和水溫表的測(cè)試的顯示。為了保證用戶對(duì)于數(shù)據(jù)變化的掌握，本設(shè)計(jì)還引入了PlotLab曲線設(shè)計(jì)，用戶根據(jù)曲率變化可以更好了解掌握當(dāng)前檢測(cè)狀態(tài)，這在制動(dòng)檢測(cè)過(guò)程中顯得尤為重要。

1.2 虛擬表盤(pán)CCarMerter與柱表CCarGauge設(shè)計(jì)

基于C++面向?qū)ο缶哂欣^承性和封裝性的特點(diǎn)，軟件把虛擬儀表常有的特性及操作設(shè)計(jì)成通用的儀表類(lèi)。儀表繪制是采用Visual C++提供的CDC類(lèi)，通過(guò)LineTo()(直線)、 Ellipse()(橢圓)、Arc()(弧形)等函數(shù)共同繪制。部分程序如下所示：

pDC->FillRect(rect, &m_brushBack);

//繪制背景

pDC->Rectangle(rect);//繪制一個(gè)邊框

CRect arcAngle(……);//畫(huà)外圈圓弧

pDC->Arc(&arcAngle, ptStart, ptEnd);

//畫(huà)刻度

pDC->MoveTo(……);

pDC->LineTo(……);

……

pDC->TextOut(……);

虛擬儀表類(lèi)包含m_BackColor(背景顏色)、m_dMaxValue(表量最大值)、m_nTicks(量程刻度)等，其中通用屬性可以通過(guò)接口函數(shù)，如SetCurrentValue()、SetMeterBackColor()、SetTicks()等來(lái)進(jìn)行設(shè)置，完成效果如圖1所示。

圖1 虛擬表盤(pán)與虛擬柱表

1.3 解決圖形閃爍的雙緩存技術(shù)

MFC窗體結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中圖形繪制和更新是由消息響應(yīng)WM_PAINT完成，在進(jìn)行復(fù)雜的圖形處理時(shí)，重繪的圖形會(huì)因過(guò)度的刷新引起閃爍現(xiàn)象。為了解決圖形閃爍的問(wèn)題，程序中自行設(shè)計(jì)了內(nèi)存變量類(lèi)CDiscMemDC，形成雙緩存。在繪圖刷新函數(shù)OnPaint()中通過(guò)中間變量先對(duì)圖形處理形成過(guò)渡，將復(fù)雜的圖形的操作轉(zhuǎn)入后臺(tái)處理，繪制完成后再顯示，以此來(lái)解決儀表圖形閃爍問(wèn)題。代碼部分如下：

CBitmap m_bitmapMeterPlate;

//內(nèi)存中承載臨時(shí)圖形的位圖

CBitmap *m_pbitmapOldMeterPlate;

//內(nèi)存中承載臨時(shí)圖形的位圖指針

……

void CCarMeter::OnPaint()

{

CPaintDC dc(this);

//繪圖設(shè)備

GetClientRect (&m_rectCtrl);

// 獲得控件區(qū)域

CDiscMemDC memDC(&dc, &m_rectCtrl);

//緩存內(nèi)存設(shè)備DC

……

m_dcMeterPlate.CreateCompatibleDC(&dc);

//依附窗口DC創(chuàng)建兼容內(nèi)存DC

m_bitmapMeterPlate.CreateCompatibleBitmap(……) ;

//創(chuàng)建兼容位圖

DrawMeterBackground(……);

//繪制背景

……

memDC.BitBlt(……);

//后臺(tái)中間變量拷貝到前臺(tái)顯示

DrawNeedle(&memDC);

//繪制指針

DrawValue(&memDC);

//顯示值

}

1.4 立體效果設(shè)計(jì)

為了突出儀表立體效果，設(shè)計(jì)采用三色三重錯(cuò)位繪制的方式繪制圖形，三種顏色分別繪制粗線、細(xì)線及陰影線，如下所示，使圖形更具立體感。

pDC->SelectObject(&penThick);

//繪制實(shí)線，顏色RGB(172, 168, 153)

pDC->MoveTo(rectScale.left, rectScale.bottom);

……

pDC->SelectObject(&penThin);

//繪制細(xì)線，顏色RGB(113, 111, 110)

pDC->MoveTo(rectScale.left + 1, rectScale.bottom);

……

pDC->SelectObject(&penShadow);

//繪制陰影線，顏色RGB(255, 255, 255)

pDC->MoveTo(rectScale.right - 1, rectScale.top + 1);

1.5 嵌入式PlotLab實(shí)現(xiàn)波形顯示

由Mitov公司設(shè)計(jì)的PlotLab軟件，包含可實(shí)現(xiàn)信號(hào)繪制和可視化的VCL控件，控件具備點(diǎn)狀圖、波形圖及柱狀圖等多種圖形模式，它可嵌入應(yīng)用到Visual C++中，并且具備有多線程處理能力。

嵌入式PlotLab設(shè)計(jì)需先安裝PlotLab_VC軟件到開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中，然后將PlotLab_VC包含的庫(kù)添加到開(kāi)發(fā)環(huán)境庫(kù)中。設(shè)計(jì)時(shí)在開(kāi)發(fā)工程中進(jìn)行庫(kù)調(diào)用命令如下所示：

#include

增加波形變量CTSLScope Scope1。在資源中添加一個(gè)STATIC控件作為圖形繪制的畫(huà)布，添加該Static變量m_ScopeSpeed。將波形變量與該控件關(guān)聯(lián)，指定STATIC畫(huà)布大小為波形繪制的載體，即可調(diào)用PlotLab軟件中關(guān)于波形處理的方法，通過(guò)接口函數(shù)完成波形設(shè)置。

Scope1.Open( m_ScopeSpeed.m_hWnd );

//關(guān)聯(lián)控件與波形類(lèi)；

Scope1.Channels.Add(1);

//添加兩條曲線

Scope1.Title.Text=″里程速度值與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖″;

//這個(gè)曲線圖名稱(chēng)

Scope1.Channels[ 0 ].Name = ″里程速度值″;

//添加波形曲線變量名1

Scope1.Channels[ 1 ].Name = ″發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速″;

//添加波形曲線變量名2

Scope1.SizeLimit =201;

/////////////Y軸初始化/////

Scope1.YAxis.AxisLabel.Text = ″速度值(KM/H)″;

//Y軸坐標(biāo)名字；

Scope1.YAxis.Max.Value = 8000.00;

//默認(rèn)Y軸最大值

Scope1.YAxis.Min.Value = 0.00;

//默認(rèn)Y軸最小值

Scope1.YAxis.Max.AutoScale = true;

//Y軸可根據(jù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)變化坐標(biāo)軸

……

開(kāi)啟定時(shí)器SetTimer(0,100,NULL)，定時(shí)器每隔100毫秒更新一次波形。當(dāng)接收到新數(shù)據(jù)后，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后等定時(shí)器時(shí)間一到就在消息響應(yīng)函數(shù)OnTimer()中自動(dòng)調(diào)用波形顯示函數(shù)Scope1.Channels[0].Data.AddYPoint(Value)，并將0通道的數(shù)值Value顯示在波形中。

1.6 多線程通信技術(shù)

軟件與測(cè)試平臺(tái)采用串口通信方式，VC++具有兩種串口編程方式，分別為MSComm控件調(diào)用和Windows的API函數(shù)。為了提高通信的效率及可拓展性，本設(shè)計(jì)的串口通信類(lèi)采用API串口通信。通信設(shè)置有中斷重連機(jī)制，保證了通信可靠性，在串口網(wǎng)絡(luò)通信編程中，引入多線程技術(shù)可同時(shí)完成接收發(fā)送數(shù)據(jù)，改善吞吐量，避免阻塞，并利用自定義監(jiān)視線程完成串口網(wǎng)絡(luò)通信的監(jiān)督。串口監(jiān)視線程方式如下：

UINT CSerialPort::CommThread(LPVOID pParam)

{

switch (dwError = GetLastError())

//通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)，錯(cuò)誤停止通信線程

{ case ERROR_IO_PENDING: {//break;}

case 87: {//不處理，繼續(xù)break; }

default: {//繼續(xù)等待通信線程

port->ProcessErrorMessage("WaitCommEvent()");

break;}

}

……

Event = WaitForMultipleObjects(3, port->m_hEventArray, FALSE, INFINITE);

switch (Event)

{case 0://終止線程，關(guān)閉事件

{ port->m_bThreadAlive = FALSE;

return 0;break;}

case 1: //讀數(shù)據(jù)動(dòng)作

{ ReceiveChar(port, comstat); break;}

case 2: //寫(xiě)數(shù)據(jù)動(dòng)作

{WriteChar(port);break;}

return 0;}

}

2 汽車(chē)電子平臺(tái)下虛擬儀表開(kāi)發(fā)

2.1 虛擬儀表設(shè)計(jì)的平臺(tái)環(huán)境

汽車(chē)檢測(cè)平臺(tái)完成數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗泄ぷ?，其中?shù)據(jù)獲取由傳感器實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。DSP獲取有效數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式處理，然后將數(shù)據(jù)上傳。上位計(jì)算機(jī)虛擬儀表軟件接收DSP上傳的數(shù)據(jù)然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、儀表顯示、波形顯示最后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。其中，傳感器包括液位傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、制動(dòng)傳感器[5,9]。

圖2 汽車(chē)虛擬儀表檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

為優(yōu)化虛擬儀表上層測(cè)試軟件的可擴(kuò)展性及通過(guò)性，本文對(duì)軟件設(shè)計(jì)的需求進(jìn)行層次結(jié)構(gòu)劃分，形成虛擬儀表測(cè)試軟件結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。軟件需求設(shè)計(jì)及層次結(jié)構(gòu)與軟件框架結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，編程技巧和設(shè)計(jì)風(fēng)格也同軟件框架優(yōu)劣有關(guān)系。本系統(tǒng)的軟件框架結(jié)構(gòu)分成五個(gè)部分：用戶交互層、系統(tǒng)交互層、邏輯操作層、數(shù)據(jù)管理層及通用模塊。用戶交互層完成用戶的圖形繪制及數(shù)據(jù)顯示；系統(tǒng)交互層是軟件程序與開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的通信交互接口; 邏輯操作層是整個(gè)系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)控制操作的部分，同時(shí)根據(jù)操作對(duì)象的不同，邏輯操作層又可劃分成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳送等；數(shù)據(jù)管理層負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖3 汽車(chē)虛擬儀表測(cè)試軟件結(jié)構(gòu)圖

2.2 虛擬儀表軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用的是MFC框架窗口設(shè)計(jì)模式。程序設(shè)計(jì)根據(jù)需求在軟件中添加測(cè)試需要的儀表類(lèi)，并在工程頭文件中添加類(lèi)頭文件：如添加CCarMerter類(lèi)，需先在工程中添加#include ″CarMerter.h″。軟件在資源中添加STATIC控件，為該控件定義一個(gè)CCarMerter類(lèi)型變量m_SpeedMerter，完成了STATIC控件與CCarMerter類(lèi)關(guān)聯(lián)。根據(jù)儀表本身差異進(jìn)行初始化設(shè)置，代碼如下所示：

/////設(shè)置速度表的基本特性

m_SpeedMeter.SetMeterBackColor(RGB( 0, 0, 255));

//背景顏色設(shè)置

m_SpeedMeter.SetRange(0.00,220.0);

//設(shè)置表盤(pán)的最小值和最大值

m_SpeedMeter.SetSubTicks(5);

//在兩個(gè)數(shù)據(jù)間分幾隔，默認(rèn)是5隔

m_SpeedMeter.SetTicks(10);

//在最大數(shù)據(jù)與最小數(shù)據(jù)間分幾隔，默認(rèn)是5

m_SpeedMeter.SetUnits(″KM/h″);

//設(shè)置儀表的單位

虛擬儀表檢測(cè)界面設(shè)有：CCarMeter車(chē)速儀表，用來(lái)顯示實(shí)時(shí)車(chē)速；CCarMeter發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表，顯示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；設(shè)有CCarGauge柱狀類(lèi)，用于顯示汽油量及溫度值。軟件設(shè)計(jì)有四個(gè)數(shù)字表，分別顯示實(shí)時(shí)行駛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油泵值及溫度值，同時(shí)引入了波形顯示用于顯示測(cè)試值的曲線變化。檢測(cè)軟件設(shè)置有測(cè)試項(xiàng)目的選項(xiàng)，用戶可以根據(jù)測(cè)試的需求選擇要測(cè)試的項(xiàng)目。其中各儀表類(lèi)之間繼承關(guān)系如圖4所示。

圖4 汽車(chē)虛擬儀表軟件中類(lèi)調(diào)用情況

2.3 測(cè)試平臺(tái)與虛擬儀表交互

選擇大眾POLO 排量1.4L車(chē)型進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試平臺(tái)每40 ms接收一組信號(hào)，在測(cè)試軟件的串口消息響應(yīng)函數(shù)中接收串口通信的數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)處理函數(shù)ProcessData()對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行截取和轉(zhuǎn)換，根據(jù)設(shè)計(jì)要求將數(shù)據(jù)分別在儀表中顯示、保存以及波形處理，并對(duì)出現(xiàn)故障的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將異常情況在提示欄中顯示。汽車(chē)虛擬儀表檢測(cè)軟件如圖5所示。

圖5 汽車(chē)虛擬儀表檢測(cè)軟件

在搭建好汽車(chē)儀表的硬件檢測(cè)環(huán)境后，開(kāi)啟汽車(chē)虛擬儀表檢測(cè)軟件，檢測(cè)項(xiàng)目可在軟件左部進(jìn)行選擇，并點(diǎn)擊啟動(dòng)測(cè)試。汽車(chē)的常用儀表數(shù)據(jù)都可在軟件平臺(tái)中直觀的獲取，并可通過(guò)波形圖了解到數(shù)據(jù)變化的更多特性。本軟件只關(guān)心數(shù)據(jù)接收、處理、傳遞的正確性，軟件的結(jié)構(gòu)、排版等所以與系統(tǒng)硬件無(wú)關(guān)，保證了檢測(cè)的穩(wěn)定性。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試汽車(chē)虛擬儀表發(fā)軟件性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可視性強(qiáng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

軟件采用面向?qū)ο蟮腃++為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，在MFC開(kāi)發(fā)平臺(tái)上結(jié)合PlotLab完成汽車(chē)檢測(cè)虛擬儀表設(shè)計(jì)。利用面向?qū)ο罄^承和派生的特點(diǎn)設(shè)計(jì)好了基礎(chǔ)的儀表類(lèi)。虛擬儀表測(cè)試軟只需組合利用此儀表類(lèi)就可以進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，因此該系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性、可重復(fù)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，這樣大大縮短了開(kāi)發(fā)的流程及周期。設(shè)計(jì)擁有可視化、仿真實(shí)的圖形化界面，使用直觀方便，用戶體驗(yàn)良好。該軟件已在汽車(chē)儀表檢測(cè)平臺(tái)順利完成測(cè)試，并且運(yùn)行良好，測(cè)試取得較好的效果。通過(guò)后期用戶的要求及不斷的完善改進(jìn)，此軟件會(huì)具有更強(qiáng)的的實(shí)用性和廣闊的應(yīng)用前景。

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DESIGNANDAPPLICATIONOFAUTOMOBILEVIRTUALINSTRUMENTBASEDONVC++

Yu Yanjuan
(ZhangzhouInstituteofTechnology,Zhangzhou363000,Fujian,China)

Virtual instrument technology is a new developing technology that combines computer technology with instrumentation technology. Its low-cost, high-efficiency features reflects a unique advantage in the rapidly changing automotive monitoring industry. The design of this paper is based on VC++ development and design platform, using MFC visualization, frame structure design features, and the design uses object-oriented C++ language combined with graphics processing software PlotLab. The design has a high versatility and good scalability, and it has been successfully tested and run stable.

Virtual instrument VC++ Object-oriented PlotLab

2017-01-09。余燕娟，碩士，主研領(lǐng)域：家電與儀表自動(dòng)化。

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.08.023