0、引言
全國大學生方程式賽車是基於大學生自己設計並製造方程式賽車來進行比賽，而方程式賽車的儀表盤是方程式賽車的核心部件，也是賽車手瞭解賽車狀況的一個視窗。利用虛擬儀器技術模擬賽車儀表盤，設計綜合資料採集、訊號分析、儀器面板等多項內容的虛擬賽車儀表盤。利用微控制器自身產生轉速、耗油、速度等模擬和數字訊號源，然後再進行模擬和數字訊號的採集和分析，通過建立轉換函式模型在虛擬儀表盤上顯示發動機轉速、賽車車速、油耗、溫度及轉向燈等資訊[1]。利用虛擬儀器技術模擬賽車儀表盤，不僅可以完成先進賽車儀表盤的功能，而且免去賽車機械及電子器件，降低成本，提高可研性，在計算機測控技術、賽車電子技術等課程的教學及開放實驗中具有廣泛的實用價值。本次試驗就大學生方程式賽車進行虛擬儀表改造，內容包括賽車本次試驗使組員對車載儀資料採集，電路板的設計，原始碼的編寫，基於labview的儀表設計及其串列埠通訊功能的實現。通過本次創新性實驗，組員們初步瞭解如何使用labview製作虛擬儀表以及電路板的設計，加深了對程式設計的認識，編寫程式的能力也有了很大的提高，也更瞭解了團隊合作的重要的技巧。
1、賽車儀表盤的總體設計
1.1 賽車儀表及其顯示裝置的作用和組成
在駕駛員前方臺板上都裝有儀表報警燈及電子顯示裝置，用來指示賽車執行以及發動機運轉的狀況，以便駕駛員隨時瞭解和掌握賽車各系統、各部件的工作狀態，保證賽車可靠而安全地行駛。
賽車上較常用的一般有3種儀表和3種相應的感測器，即發動機轉速錶、發動機溫度表、賽車時速表。
儀表板總成分垂直安裝式和傾斜安裝式兩類，二者又各有組合式和分裝式兩種。分裝式儀表板總成，它是由薄鋼板先衝壓成一塊儀表板，然後將每隻單個儀表用夾板及螺栓固裝在儀表板上。
1.2 賽車儀表的使用條件
1.2.1 溫度
賽車是被廣泛使用的交通運輸工具，要在各種環境溫度下都能正常執行，因此要求汽車儀表在-40～+55℃範圍內都能正常工作。溫度感測器用於監測冷卻液(水箱)溫度。
1.2.2 溼度
由於賽車儀表工作的環境條件所限，因此它還將受到溼度的影響。潮溼的空氣將使儀表零件(特別是黑色金屬零件)表面生鏽，電氣絕緣件的絕緣效能降低甚至漏電。還由於潮溼空氣的變冷，使毛細管內的水分凝聚，引起指示誤差以致堵塞。因此，金屬零件尤其是黑色金屬零件要進行表面處理，如電鍍、化學處理、噴漆等工藝。要求儀表應能在相對溼度為90%的環境下工作，並通過耐潮試驗及絕緣介電強度試驗。
1.2.3 振動
賽車行駛引起的車身振動，發動機高速運轉引起的賽車各部件振動，都會影響儀表指示的準確性，縮短儀表的使用壽命，因此必須在儀表板外面加放橡皮減震墊圈等，以保證儀表零件的足夠強度和緊韌體的牢固性。
1.2.4 其他
賽車儀表的工作環境還可能遇到其他氣候條件(如暴雨、灰塵的侵蝕，陽光輻射，油膩的沾汙，黴菌的腐蝕，海洋鹽霧的浸蝕以及冰凍等)的影響，因此儀表零件的 6各種金屬材料，非金屬材料以及各種油類、保護層等都要根據不同的氣候條件加以選用。裝有電子鐘的儀表板總成，要防止賽車電氣裝置產生的高頻振盪對電子鐘走時效能的干擾。
2、介面模組
3、虛擬儀表的硬體設計
感測器簡介：
3.1 DS18B20溫度感測器
DS18B20數字溫度感測器接線方便，封裝成後可應用於多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不鏽鋼封裝式，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。主要根據應用場合的不同而改變其外觀。封裝後的DS18B20可用於電纜溝測溫，高爐水迴圈測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農業大棚測溫，潔淨室測溫，彈庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用於各種狹小空間裝置數字測溫和控制領域。
3.2 CR-6061-1數字油位感測器
CR-606系列電容式油位變送器，是為鐵路機車、汽車油箱、油罐車、油庫等油位的精確測量而量身定做的專門儀表，整機無任何可動或彈性部件，耐衝擊、安裝方便、可靠性高、精度高、效能價格比好。可安裝在各種場合對汽油、柴油、液壓油等油位進行準確的測控。也適用於各種非導電液體的測量。
3.3 OHG-01霍爾效應齒輪感測器
霍爾效應齒輪齒感測器(GTS)是一種重要的自動化檢測元件，尤其是在汽車上的應用日益增加，主要實現位置、速度和方向的檢測。近年來，國外關於環保和安全保障的一些立法已對GTS技術提出了新的更高要求。為適應這些要求，技術人員正集中精力開發研製GTS自校準技術。
4、虛擬儀表資料採集卡
霍爾效應齒輪齒感測器(GTS)是一種重要的自動化檢測元件，尤其是在汽車上的應用日益增加，主要實現位置、速度和方向的檢測。近年來，國外關於環保和安全保障的一些立法已對GTS技術提出了新的更高要求。為適應這些要求，技術人員正集中精力開發研製GTS自校準技術。
5、微控制器模組
5.1 微控制器AT89S52概述
AT89S52是一款低功耗、高效能的8位微控制器，內部具有8K在系統可程式Flash儲存器。使用Atmel公司高密度非易失性儲存器技術製造，與工業80C51產品指令和引腳完全相容。片內Flash儲存器可線上重新程式設計，亦適於通用的程式設計器。通用的8位CPU與在系統可程式Flash整合在一塊晶片上，從而使AT89S52功能更加完善，應用更加靈活;具有較高的價效比，使其在嵌入式控制系統中有著廣泛的應用前景。
5.2 AT89S52的引腳排列及功能
AT89S52具有PDIP，PLCC和TQFP三種封裝形式，其中PDIP封裝的引腳排列如圖2所示。
圖2 AT89S52的封裝引腳圖
5.2.1 P0口
P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，即地址/資料匯流排複用口。
作為輸出口用時，每位能以吸收電流的方式驅動8個TTL邏輯閘電路，對埠P0口寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部資料儲存器或程式儲存器時，此組口線分時轉換地址和資料匯流排複用，在訪問期間啟用內部上拉電阻。在FLASH程式設計時P0口接收指令位元組，而在程式校驗時輸出指令位元組，校驗時要求外接上拉電阻。
5.2.2 P1口
P1口是一組帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口。
P1口的輸出緩衝級可驅動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯閘電路。對埠寫“1”，通過內部的上拉電阻把埠拉到高電平，此時可作輸出口。作輸入口使用時，被外部拉低的引腳由於內部電阻的原因，將輸出電流(IIL)。與AT89S51不同之處是，P1.0和P1.1還可分別作為定時器/計數器2的外部計數輸入(P1.0/T2)和觸發器輸入(P1.1/T2EX)。在flash程式設計和校驗時，P1口接收低8位地址位元組。P1口除了作為一般的'I/O口線外，部分引腳還具有第二功能，如表1所列。
表1 P1口的第二功能
5.2.3 P2口
P2口是一組具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口。
P2口輸出緩衝器能驅動4個TTL邏輯電平。對P2埠寫“1”時，內部上拉電阻把埠拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳經由內部上拉向外輸出電流(IIL)。在訪問外部程式儲存器或用16位地址讀取外部資料儲存器(例如執行MOVX@DPTR)時，P2口送出高8位地址資料。在這種應用中，P2口使用很強的內部上拉傳送1。在使用8位地址(如MOVX@RI)訪問外部資料儲存器時，P2口輸出P2鎖存器的內容。FLASH程式設計或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制訊號。
5.2.4 P3口
P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口。
P3口輸出緩衝級可驅動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯閘電路。對P3口寫入1時，內部上拉電阻把埠拉高，此時可作為輸入埠使用。若外部負載將P3口拉低，則經過內部上拉電阻而向外輸出電流(IIL)。P3口可接收一些用於FLASH快閃記憶體程式設計和程式校驗的控制訊號。P3口除了作為一般的I/O口線外，還具有第二功能，如表2所列。
表2 P3口的第二功能
5.2.5 其他
1)電平將使微控制器復位。特殊暫存器AUXR(輔助暫存器)(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO預設狀態下，復位高電平有效。
2)ALE為地址鎖存允許訊號，當微控制器上電正常工作後，ALE引腳不斷輸出正脈衝訊號。在訪問微控制器外部程式儲存器或資料儲存器時，ALE輸出脈衝用於鎖存地址的低8位位元組。如有必要，可通過對特殊功能暫存器(SFR)區中的8EH單元的D0位置1，可禁止ALE操作。該位置1後，ALE僅在執行MOVX或MOVC指令時有效。否則，ALE將被微弱拉高。此ALE使能標誌位的設定在微控制器執行外部程式時無效。PROG為本引腳的第二功能，對FLASH儲存器程式設計期間，該引腳還用於輸入程式設計脈衝。
3)為程式儲存允許輸出控制端，是外部程式儲存器的讀選通訊號，當AT89S52在每個機器週期被啟用兩次，而將不被啟用。
PP：欲使CPU僅訪問外部程式儲存器(地址為0000H—FFFFH)，EA端必須保持低電平(接地)。
4)XTAL1：振盪器反相放大器和內部時鐘發生電路的輸入端。XTAL2：振盪器反相放大器的輸出端。
6、硬體系統原理圖
6.1 電源電路
汽車儀表板卡上的工作電壓是 5V，而汽車蓄電池一般提供 12V 電壓，所以系統設計了一個 12V 轉 5V 的電源電路。12V 的汽車電源經過整流、濾波和穩壓，最終輸出穩定的 5V 電路板供電電壓。
圖3 電源電路
6.2 晶振電路
P87C581 的晶振引腳為：XTAL1、XTAL2.本系統選用的是 12MHZ 晶振電路。
圖4 晶振電路
6.3 復位電路
鑑於本系統板卡對瞬態響應效能、時鐘源的穩定性及電源監控可靠性等諸多方面因素，本系統採用了比較通用的復位電路，提高了系統的可靠性。
在振盪器工作時，將RST腳保持至少兩個機器週期低電平(12個振盪器週期)可實現復位。為了保證上電覆位的可靠，RST保持低電平的時間至少為振盪器啟動時間(通常為幾個毫秒)再加上兩個機器週期。
圖5 復位電路
6.4 掉電保護電路
本汽車儀表系統對資料的記錄要求較高，實時資料必須及時儲存並顯示。如果出現無法預料到的突然斷電事件，儀表系統應採取相應的措施對資料進行及時儲存，這就需要設計一個掉電保護電路，一旦電源低於某個預設的電壓值，儀表系統檢測到後立刻對當前資料進行儲存。本系統將掉電保護電路連至處理器的中斷引腳，通過採用中斷的方式來觸發掉電事件以通知處理器執行相應的動作。
圖6 掉電保護電路
6.5 串列埠電路
AT89C52晶片的串列埠為TTL電平，而要連線的外部PC的串列埠為RS232電平，故需要採用一塊晶片來實現TTL/RS232電平轉換。本系統採用常用的MAX232轉換晶片。
MAX232晶片簡介
MAX232晶片是專門為電腦的RS-232標準串列埠設計的介面電路，使用+5v單電源供電。其主要特點如下：
1)符合所有的RS-232C技術標準;
2)只需要單一+5V電源供電;
3)片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉能力，能夠產生+10V和 -10V電壓V+、V-;
4)功耗低，典型供電電流5mA;
5)內部整合2個RS-232C驅動器;
6)高整合度，片外最低只需4個電容即可工作。
MAX232引腳介紹：
第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構成。功能是產生+12V和-12V兩個電源，提供給RS-232串列埠電平的需要。
第二部分是資料轉換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成兩個資料通道。其中13腳(R1IN)、12腳(R1OUT)、11腳(T1IN)、14腳(T1OUT)為第一資料通道。
8腳(R2IN)、9腳(R2OUT)、10腳(T2IN)、7腳(T2OUT)為第二資料通道。 TTL/CMOS資料從T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232資料從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭;DB9插頭的RS-232資料從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS資料後從R1OUT、R2OUT輸出。
第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC(+5v)。
7、總結
虛擬儀器是真實儀器設計生產前對代替真實儀器進行一系列的校核和優化工作。虛擬儀器的使用可以大大降低調教優化真實儀器的成本和時間，可以提高試驗效率。通過虛擬儀器對大學生方程式賽車進行虛擬儀表的設計可以加強我們對虛擬儀器的瞭解，使我們真正掌握虛擬儀器的設計和優化的方法。