燃料電池是21世紀(jì)最有望取代目前汽車燃油內(nèi)燃機(jī)的新動力體系之一，它是一種將H2和O2的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。一個燃料電池堆是將多片電池片串聯(lián)起來構(gòu)成的，整個電堆的性能和單片電池電壓有很大的關(guān)系。因此在燃料電池的研制中有必要采集不同條件下單片電池的電壓值，通過分析找出H2和O2的反應(yīng)環(huán)境和單片電池電壓之間的關(guān)系。本文所要介紹的是作者單位正在進(jìn)行的25kW燃料電池轎車項(xiàng)目中，燃料電池單片電壓巡檢測試、分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件采用VB6.0編程語言進(jìn)行開發(fā)，該語言功能強(qiáng)大，具有面向?qū)ο蠛涂梢暬幊?，界面友好，特別適于在Windows環(huán)境下圖形界面和用戶程序的編制，數(shù)據(jù)采集由多個以8位pIC單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集模塊來完成。

2系統(tǒng)組成和工作原理

本系統(tǒng)由上位機(jī)、主控單片機(jī)和若干個數(shù)據(jù)采集模塊所組成，如圖1所示。上位機(jī)為一臺工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，其主要功能是通過RS-232串口實(shí)現(xiàn)和主控單片機(jī)的通信，接收采集數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令;實(shí)時顯示單片電池的電壓值和繪制同一時刻單片電壓變化趨勢曲線;將測量數(shù)據(jù)分類保存到數(shù)據(jù)庫，并具有對測量結(jié)果進(jìn)行多種數(shù)學(xué)分析的功能。主控單片接收來自上位機(jī)的控制命令

圖1系統(tǒng)組成圖

實(shí)現(xiàn)對各個數(shù)據(jù)模塊的控制，并將各個模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)通過RS-232串口轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。主控單片機(jī)和各個數(shù)據(jù)采集模塊間采用RS-485總線進(jìn)行通信，并設(shè)成主從結(jié)構(gòu)，主控單片機(jī)設(shè)為主機(jī)，各個數(shù)據(jù)采集模塊為從機(jī)。主控單片機(jī)在收到上位機(jī)的檢測開始命令后，按照輪循的方式依次給各個數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)采集命令，在每發(fā)出一個采集命令后就等待接收該采集模塊的采集數(shù)據(jù)，如果在等待時間內(nèi)收到采集模塊發(fā)回的采集數(shù)據(jù)，就將數(shù)據(jù)打包轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī);如果等待超時仍然沒有接收到數(shù)據(jù)就直接向下一個采集模塊發(fā)采集命令，如此反復(fù)循環(huán)下去。

各數(shù)據(jù)采集模塊的軟硬件構(gòu)成是完全一樣的，并通過RS-485總線實(shí)現(xiàn)和主控單片機(jī)的通信。每個數(shù)據(jù)采集模塊在收到來自主控單片機(jī)的測試命令后開始對其負(fù)責(zé)測試的16片電池電壓值進(jìn)行采樣，然后將采樣所得的16片電池電壓值打包一起發(fā)送給主控單片機(jī)。每一個數(shù)據(jù)采集模塊能采集16片單片電池的電壓，可根據(jù)電池片的總數(shù)相應(yīng)地增減數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)量。

3數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

在本巡檢系統(tǒng)中單片電池電壓值的采集是由各個數(shù)據(jù)模塊來完成。數(shù)據(jù)采集模塊主要是以pIC16F873單片機(jī)為核心加一些外圍電路構(gòu)成如圖2所示。pIC16F873單片機(jī)是Microchip公司生產(chǎn)的一款精簡指令集(RISC),哈佛雙總線和兩級指令系統(tǒng)流水線結(jié)構(gòu)的高性價比的8位嵌入式控制器,具有集成度高、速度快、工作電壓低、功耗低、I/O直接驅(qū)動、指令簡單易學(xué)易用等特點(diǎn)。其內(nèi)置8k×14Flash存儲器，1個10位四輸入通道A/D轉(zhuǎn)換器，和一個UART。并可在線串行編程(ICSp)，開發(fā)和使用都很方便，所需外圍擴(kuò)展器件少。在數(shù)據(jù)采集模塊中多路模擬信號的輸入是通過16路模擬開關(guān)CD4067來選擇的，單片機(jī)通過I/O口RC1～RC4來選擇具體那一路輸入。由于單片電池電壓一般比較低在0.5V～1.2V間，這個電壓在CD4067的準(zhǔn)許范圍內(nèi)，所以在CD4067的輸入口沒有加隔離電路。由于數(shù)據(jù)采集模塊和主控單片機(jī)之間是通過485總線通信的，因此單片機(jī)的串口輸入/輸出要經(jīng)過MAX485進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后才能接到485總線上。采樣速率可由主控單片機(jī)控制。由于篇幅有限下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)在此沒有提及。

圖2數(shù)據(jù)采集模塊原理圖

4上位機(jī)通信程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用ＶＢ6.0內(nèi)嵌ＭSComm控件只要通過簡單的設(shè)置與編程,就能實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。ＭSComm控件提供了一系列封裝好的標(biāo)準(zhǔn)串行通信的屬性和方法,使用它可以建立應(yīng)用程序和串口的連接,完成串行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。其初始化屬性設(shè)置如下:

下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示:

圖3接收數(shù)據(jù)幀式

每一幀數(shù)據(jù)由20個字節(jié)組成，依次是:一個字節(jié)的幀起始標(biāo)志為FF;一個字節(jié)的數(shù)據(jù)組號;16個字節(jié)的數(shù)據(jù);一個字節(jié)的校驗(yàn)和，校驗(yàn)和是組號和16個字節(jié)的數(shù)據(jù)間相互異或的結(jié)果;最后一個字節(jié)為幀結(jié)束標(biāo)志為FD。16個字節(jié)的數(shù)據(jù)中每個字節(jié)表示一片電池的電壓值，為0～255的一個整數(shù)，將該數(shù)除以100及得到電壓實(shí)際值，一般單片電池電壓在0.5V～1.2V間。用ＭSComm進(jìn)行串行通信接收數(shù)據(jù)時可采用兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種是查詢方式，另一種是事件觸發(fā)方式。在本系統(tǒng)中選擇的是事件觸發(fā)方式，每當(dāng)接收緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)到達(dá)20個時就觸發(fā)一個接收事件。接收通信程序如下:

此要注意的一點(diǎn)是從緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)時，數(shù)組InputData()一定要定義成Byte類型不能為Integer或Single，因?yàn)榻邮漳Ｊ皆O(shè)置為二進(jìn)制。上位機(jī)發(fā)送的指令較少也很簡單在此就沒有仔細(xì)分析。

5結(jié)束語

燃料電池作為21世紀(jì)前景比較看好的一種新的、潔凈型能源，有關(guān)它的各項(xiàng)技術(shù)的研究都有助于推動它向?qū)嵱秒A段進(jìn)一步發(fā)展。本文在單片電壓的檢測和分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上作了一些工作。雖然是面向燃料電池的，但也可借鑒到其它類似的多點(diǎn)檢測和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中去。