劉佼龍，楊莉，劉教瑜，梁鉅亮
（武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070）
摘要：為了實(shí)時(shí)監(jiān)控燃料電池的運(yùn)行狀況，保障電池堆安全、可靠地運(yùn)行，設(shè)計(jì)了一種單體電池電壓監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以PIC單片機(jī)為主控制器，采用基于高壓模擬開(kāi)關(guān)陣列的電壓采集方法，利用CAN總線的方式與上位機(jī)通信。上位機(jī)采用LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)電池電壓監(jiān)控界面系統(tǒng)，界面以波形圖、表格、數(shù)值顯示控件等形式向用戶匯報(bào)電堆的運(yùn)行情況。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高、界面友好、控制簡(jiǎn)單，能夠有效地保障電堆的安全。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；LabVIEW；CAN總線通信；電壓監(jiān)控
中圖分類號(hào)：TP277文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.03.025
引用格式：劉佼龍，楊莉，劉教瑜，等.PEMFC電壓監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（3）：85-87,92
0引言
如今，環(huán)境污染和能源危機(jī)已成為制約社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素，尤其近年來(lái)汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，由此導(dǎo)致的環(huán)境和能源問(wèn)題日益突出，新能源的開(kāi)發(fā)迫在眉睫。燃料電池(PEMFC)是一種能量轉(zhuǎn)換率高、無(wú)污染、可大量供電的清潔高效的分布式新能源［1］。對(duì)燃料電池系統(tǒng)而言，電池電壓是其運(yùn)行狀態(tài)最直觀的體現(xiàn)，系統(tǒng)出現(xiàn)的異常直接表現(xiàn)在電壓的變化上。燃料電池一般由許多片單體燃料電池串聯(lián)組成，其中任何一片異常或故障，若未能及時(shí)檢測(cè)并加以處理可能造成電池堆的性能下降乃至損壞［2］。因此對(duì)燃料電池電壓的監(jiān)控顯得尤為重要。為了確保燃料電池堆運(yùn)行的可靠性，電池電壓監(jiān)控系統(tǒng)是必不可少的。
1系統(tǒng)組成及原理
燃料電池堆是由上百片的單片電池串聯(lián)組成，雖然每一塊電池的電壓大約只有0.5 V~0.9 V，但是串起來(lái)的總電壓可達(dá)上百伏。電壓監(jiān)控系統(tǒng)主要是由上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示界面與下位機(jī)電壓采集及通信模塊組成，包括主控制器、高壓模擬開(kāi)關(guān)陣列——燃料電池多路通道選通模塊、信號(hào)調(diào)理模塊及上、下位機(jī)通信模塊等［3］。高壓模擬開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)選通144路電壓輸入信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路負(fù)責(zé)處理采集過(guò)來(lái)的模擬電壓，便于輸入到A/D轉(zhuǎn)換器［4］。燃料電池單片電壓監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。
本系統(tǒng)要求監(jiān)視的燃料電池堆是由144塊單片電池串聯(lián)組成，系統(tǒng)選用PIC18F46K80作為主控芯片，高壓模擬開(kāi)關(guān)作為切換燃料電池的選通開(kāi)關(guān)，同時(shí)還要完成CAN接口電路和串口接口電路的設(shè)計(jì)以便與PC進(jìn)行通信和調(diào)試。系統(tǒng)要求上位機(jī)和下位機(jī)通過(guò)CAN總線的方式進(jìn)行通信。上位機(jī)采用虛擬儀器圖形化編程軟件LabVIEW開(kāi)發(fā)顯示界面。下位機(jī)以PIC單片機(jī)為主控芯片，以MPLABIDE為開(kāi)發(fā)平臺(tái)、C語(yǔ)言為編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)下位機(jī)程序。
系統(tǒng)的工作流程如下：上位機(jī)發(fā)送電壓檢測(cè)開(kāi)始命令，單片機(jī)控制器接收命令開(kāi)始電壓采集工作，首先通過(guò)高壓模擬開(kāi)關(guān)依次選通電池通道，并且確保任意時(shí)刻只有單塊電池被切入信號(hào)調(diào)理電路。切換過(guò)來(lái)的模擬電壓信號(hào)首先被送入到信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)過(guò)該電路的濾波等一些處理后輸入到單片機(jī)自帶的A/D模塊中，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理后，單片機(jī)將此時(shí)的單片電壓信號(hào)通過(guò)內(nèi)部集成ECAN模塊，發(fā)送給上位機(jī)來(lái)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，如此循環(huán)，完成144塊電池的電壓采集和監(jiān)控。
2硬件設(shè)計(jì)
在主控制器的選擇上，考慮到控制器的外設(shè)和內(nèi)部的資源能否滿足本系統(tǒng)的要求，選用微芯(MICROCHIP)公司的PIC單片機(jī)PC18F46K80作為主控制器。PIC18F46K80是集成ECAN模塊和12位A/D轉(zhuǎn)換具有極低功耗的高性能8位增強(qiáng)型閃存單片機(jī)，工作電壓范圍為1.8 V~5.5 V；最大速度可達(dá)64 MHz；1 024字節(jié)的數(shù)據(jù)EEPROM；最大64 KB Flash( 閃存程序存儲(chǔ)器)；4 KB RAM?？傮w而言這是一款高性價(jià)比、低功耗、性能強(qiáng)大的外設(shè)集合控制器。
2.1信號(hào)調(diào)理電路
由于電池內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，采集過(guò)來(lái)的電壓信號(hào)不可避免地會(huì)受到一些噪聲等高頻信號(hào)的干擾，所以信號(hào)調(diào)理電路必不可少，如圖2所示。
這里AD620作為一個(gè)減法器， D2為T(mén)VS二極管，又稱瞬態(tài)抑制二極管，是一種新型高效電路保護(hù)器件，防止電壓過(guò)大。精密電壓VREF經(jīng)過(guò)電阻分壓后作為一個(gè)基準(zhǔn)電壓，這個(gè)基準(zhǔn)電壓是為提升負(fù)壓而設(shè)計(jì)的，確保輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的是可以測(cè)量的正電壓信號(hào)，而且也保護(hù)了后面的二階濾波電路。后一級(jí)為運(yùn)放二階濾波電路，將信號(hào)中的雜質(zhì)和高頻信號(hào)濾除掉，提高信號(hào)的精度。二極管D3也是作為一個(gè)保護(hù)的作用而存在，防止最后可能出現(xiàn)的負(fù)壓輸入到單片機(jī)A/D模塊。
針對(duì)燃料電池的負(fù)壓情況設(shè)計(jì)的電位提升模塊如圖3所示。芯片用的是Microship生產(chǎn)的MCP1541，它是4.096 V的精確電壓基準(zhǔn)，初始精度可以達(dá)到±1%。5 V電壓輸入，4.096 V的精密VREF電壓輸出。
2.2通道切換選通模塊
選用高壓模擬開(kāi)關(guān)MAX14802作為通道切換開(kāi)關(guān)。該器件采用HVCOS工藝，提供16路高壓、低電荷注入SPST開(kāi)關(guān)，由數(shù)字口控制。數(shù)據(jù)移入內(nèi)部16位移位寄存器，并通過(guò)帶使能和清零控制的可編程鎖存器保持?jǐn)?shù)據(jù)。上電復(fù)位功能確保所有開(kāi)關(guān)在上電時(shí)為斷開(kāi)狀態(tài)。串行接口支持菊鏈連接，如圖4所示。用9個(gè)MAX14802芯片來(lái)滿足對(duì)144路電池通道的切換選擇，任意時(shí)刻只選通相鄰的兩個(gè)開(kāi)關(guān)，確保電池電壓是一路一路地輸入到單片A/D模塊。由于選通模塊的開(kāi)關(guān)是循環(huán)切換的，所以電池的正極和負(fù)極與IN+端和IN-端的連接是循環(huán)交替的，例如第一節(jié)電池的正極接IN+端，負(fù)極接IN-端，那么下一接電池的正極就接IN-端，負(fù)極就接IN+端，如此循環(huán)，其具體任務(wù)是通過(guò)單片機(jī)控制其在同一時(shí)刻選通兩個(gè)相鄰?fù)ǖ赖拈_(kāi)關(guān)，來(lái)獲取單節(jié)電池兩端的電壓。
2.3CAN 接口電路設(shè)計(jì)
主控制器PIC18F46K80內(nèi)部集成有CAN控制器，該模塊支持CAN協(xié)議CAN1.2、CAN2.0A和CAN2.0B，支持標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀（11位標(biāo)識(shí)符）、擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀（29位標(biāo)識(shí)符）、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和過(guò)載幀；有6個(gè)緩沖區(qū)，可以設(shè)為T(mén)X報(bào)文緩沖區(qū)和RX報(bào)文緩沖區(qū)；16個(gè)完全（標(biāo)準(zhǔn)/擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符）接收過(guò)濾器，可與4個(gè)屏蔽器中的任意一個(gè)配合使用；2個(gè)可分配給任意過(guò)濾器的完全接收過(guò)濾器屏蔽器；1個(gè)可用作接收過(guò)濾器或接收過(guò)濾器屏蔽器的完全接收過(guò)濾器；3個(gè)專用發(fā)送緩沖區(qū)。
CAN總線是一種傳輸速率高（可達(dá)1 Mb/s）、穩(wěn)定可靠、抗干擾性能好、連線簡(jiǎn)單(CANH和CANL兩條線)、能夠長(zhǎng)距離傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)。為了實(shí)現(xiàn)PC通信，還需完成CAN接口收發(fā)電路。系統(tǒng)選用微芯公司的MCP2551高速CAN收發(fā)器來(lái)設(shè)計(jì)接口電路［5］。其外部總線的物理接口電路如圖5所示。MCP2551通過(guò)兩個(gè)高速光耦（6N137）與單片機(jī)的CAN模塊的CANH和CANL連接。高速光耦用于隔離可能產(chǎn)生的干擾信號(hào)，提高CAN通信的抗干擾能力［6］。圖5CAN接口電路CAN通信協(xié)議形式為“ID+數(shù)據(jù)+校驗(yàn)”，每一幀信息有8個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，本系統(tǒng)選用的A/D 轉(zhuǎn)換器精度為12位，每個(gè)電壓數(shù)據(jù)要占用兩個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，所以一幀信息中能夠保存和傳遞4個(gè)電壓數(shù)據(jù)。
3軟件設(shè)計(jì)
3.1下位機(jī)軟件
系統(tǒng)的主控制器為PIC單片機(jī)，采用微芯公司推出的MPLAB集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）作為下位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，選用靈活方便、易于查看修改的C語(yǔ)言為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)下位機(jī)程序，遵循模塊化的設(shè)計(jì)原則來(lái)開(kāi)發(fā)軟件，主要分為數(shù)據(jù)采集和CAN通信兩大塊。
3.1.1數(shù)據(jù)采集模塊程序設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集模塊主要有通道切換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等任務(wù)。程序初始化后，單片機(jī)將電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)通道切換和信號(hào)調(diào)理電路，輸入到片內(nèi)A/D模塊上，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化后得到數(shù)字電壓信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，最后通過(guò)CAN總線的方式發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行處理［7］。系統(tǒng)流程圖如圖6所示。
3.1.2CAN通信設(shè)計(jì)
CAN的數(shù)據(jù)以報(bào)文的形式進(jìn)行傳輸，它以幀為單位，有標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種不同的幀格式，區(qū)別在于標(biāo)準(zhǔn)幀有11位標(biāo)識(shí)符；擴(kuò)展幀有29位標(biāo)識(shí)符。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)類型進(jìn)行CAN通信，擴(kuò)展幀的結(jié)構(gòu)包括：幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、CRC場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)和幀結(jié)尾，數(shù)據(jù)場(chǎng)的長(zhǎng)度為0~8位［8］。其結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。
一個(gè)數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)場(chǎng)有8個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，本系統(tǒng)采用的是單片機(jī)內(nèi)部的A/D模塊，由于它是12位的A/D轉(zhuǎn)換器，因此一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后要占用兩個(gè)字節(jié)，所以一幀CAN數(shù)據(jù)中一次只能發(fā)送4個(gè)電壓數(shù)據(jù)，需要傳送38次才能把144片電池電壓傳送完。CAN模塊通過(guò)中斷的方式接收上位機(jī)的命令，然后再把電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAN協(xié)議格式發(fā)給上位機(jī)。上位機(jī)讀取下位機(jī)發(fā)送的CAN信息幀后按照設(shè)計(jì)的通訊協(xié)議首先進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，把信息分為ID部分和數(shù)據(jù)部分，擴(kuò)展幀的標(biāo)識(shí)符ID有29位，數(shù)據(jù)為8個(gè)字節(jié)，4個(gè)電壓信號(hào)。由ID號(hào)可以知道是哪節(jié)電池的電壓，然后讀取出數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)偏移量和比例因子換算得出實(shí)際的電壓數(shù)據(jù)。上位機(jī)要不停地讀取下位機(jī)的CAN緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀取完畢，以保證數(shù)據(jù)讀取的時(shí)效性。在數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收前首先要進(jìn)行初始化，如圖8所示。初始化結(jié)束后，等待上位機(jī)的命令，接收命令后開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，流程圖如圖9所示。
3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)（電壓監(jiān)控界面）
驗(yàn)室虛擬儀器平臺(tái)(Laboratory Virtual Instument Engineering Workbench，LabVIEW)是美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司推出的一種基于圖形化編程語(yǔ)言(Graphics Language，G語(yǔ)言)的虛擬開(kāi)發(fā)工具［9］。它采用可視化的圖形編程語(yǔ)言，基本上不需要像其他編程語(yǔ)言那樣寫(xiě)程序代碼，編程簡(jiǎn)單直觀，易于調(diào)試和維護(hù)，有著廣泛的應(yīng)用。
上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示整個(gè)燃料電池堆的電壓，并且用多種顯示方式來(lái)顯示當(dāng)前的監(jiān)測(cè)情況［10］。用波形圖來(lái)顯示整個(gè)電堆每片電池實(shí)時(shí)的電壓情況，用數(shù)值控件精確顯示每一片電池的電壓、最小值電壓、最小值電壓通道號(hào)、最大值電壓、最大值電壓通道號(hào)以及電堆的總電壓。根據(jù)電壓的大小設(shè)置閾值，可以及時(shí)報(bào)警某些異常電池電壓。
4結(jié)束語(yǔ)
在這個(gè)能源越發(fā)緊張的時(shí)代，燃料電池以其自身的優(yōu)勢(shì)，所占的地位越來(lái)越重要。本文根據(jù)燃料電池電壓監(jiān)控系統(tǒng)的要求，提出了一種上位機(jī)監(jiān)測(cè)、下位機(jī)電壓采集、CAN通信的電壓監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了電池電壓監(jiān)控系統(tǒng)的功能和設(shè)計(jì)方案。并以PIC單片機(jī)為核心，建立了基于高壓模擬開(kāi)關(guān)和CAN通信的電池電壓監(jiān)控系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)安全可靠、一次性采集的電壓數(shù)量巨大、精度高，能夠?qū)崟r(shí)有效地顯示電池的運(yùn)行狀態(tài)，較好地實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求。
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