基于VB6.0的燃料電池單片電壓巡檢系統的設計

關(guān)鍵詞：RS-485燃料電池PIC16F873單片電壓

1 引言
燃料電池是21世紀最有望取代目前汽車(chē)燃油內燃機的新動(dòng)力體系之一，它是一種將H2和O2的化學(xué)能通過(guò)電極反應直接轉換成電能的裝置。一個(gè)燃料電池堆是將多片電池片串聯(lián)起來(lái)構成的，整個(gè)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(guò)分析找出H2和O2的反應環(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(chē)項目中，燃料電池單片電壓巡檢測試、分析系統的設計。本系統的上位機軟件采用VB6.0編程語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該語(yǔ)言功能強大，具有面向對象和可視化編程，界面友好，特別適于在 Windows環(huán)境下圖形界面和用戶(hù)程序的編制，數據采集由多個(gè)以8位PIC單片機為核心的數據采集模塊來(lái)完成。

2 系統組成和工作原理
本系統由上位機、主控單片機和若干個(gè)數據采集模塊所組成，如圖1所示。上位機為一臺工業(yè)控制計算機，其主要功能是通過(guò)RS-232串口實(shí)現和主控單片機的通信，接收采集數據和發(fā)送控制命令;實(shí)時(shí)顯示單片電池的電壓值和繪制同一時(shí)刻單片電壓變化趨勢曲線(xiàn);將測量數據分類(lèi)保存到數據庫，并具有對測量結果進(jìn)行多種數學(xué)分析的功能。

主控單片接收來(lái)自上位機的控制命令

圖1 系統組成圖
實(shí)現對各個(gè)數據模塊的控制，并將各個(gè)模塊發(fā)來(lái)的數據通過(guò)RS-232串口轉發(fā)給上位機。主控單片機和各個(gè)數據采集模塊間采用RS-485總線(xiàn)進(jìn)行通信，并設成主從結構，主控單片機設為主機，各個(gè)數據采集模塊為從機。主控單片機在收到上位機的檢測開(kāi)始命令后，按照輪循的方式依次給各個(gè)數據采集模塊發(fā)采集命令，在每發(fā)出一個(gè)采集命令后就等待接收該采集模塊的采集數據，如果在等待時(shí)間內收到采集模塊發(fā)回的采集數據，就將數據打包轉發(fā)給上位機;如果等待超時(shí)仍然沒(méi)有接收到數據就直接向下一個(gè)采集模塊發(fā)采集命令，如此反復循環(huán)下去。

各數據采集模塊的軟硬件構成是完全一樣的，并通過(guò)RS-485總線(xiàn)實(shí)現和主控單片機的通信。每個(gè)數據采集模塊在收到來(lái)自主控單片機的測試命令后開(kāi)始對其負責測試的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。每一個(gè)數據采集模塊能采集16片單片電池的電壓，可根據電池片的總數相應地增減數據采集模塊的數量。

3 數據采集模塊設計
在本巡檢系統中單片電池電壓值的采集是由各個(gè)數據模塊來(lái)完成。數據采集模塊主要是以PIC16F873單片機為核心加一些外圍電路構成如圖2所示。PIC16F873單片機是Microchip公司生產(chǎn)的一款精簡(jiǎn)指令集(RISC),哈佛雙總線(xiàn)和兩級指令系統流水線(xiàn)結構的高性?xún)r(jià)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直接驅動(dòng)、指令簡(jiǎn)單易學(xué)易用等特點(diǎn)。其內置8k14 Flash存儲器，1個(gè)10位四輸入通道A/D轉換器，和一個(gè)UART。并可在線(xiàn)串行編程(ICSP)，開(kāi)發(fā)和使用都很方便，所需外圍擴展器件少。在數據采集模塊中多路模擬信號的輸入是通過(guò)16路模擬開(kāi)關(guān)CD4067來(lái)選擇的，單片機通過(guò)I/O口RC1～RC4來(lái)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(gè)電壓在CD4067的準許范圍內，所以在CD4067的輸入口沒(méi)有加隔離電路。由于數據采集模塊和主控單片機之間是通過(guò)485總線(xiàn)通信的，因此單片機的串口輸入/輸出要經(jīng)過(guò)MAX485進(jìn)行電平轉換后才能接到485總線(xiàn)上。采樣速率可由主控單片機控制。由于篇幅有限下位機軟件設計在此沒(méi)有提及。

圖2 數據采集模塊原理圖

4 上位機通信程序設計
應用ＶＢ6.0內嵌ＭSComm控件只要通過(guò)簡(jiǎn)單的設置與編程,就能實(shí)現串行數據的發(fā)送與接收。ＭSComm控件提供了一系列封裝好的標準串行通信的屬性和方法,使用它可以建立應用程序和串口的連接,完成串行數據的發(fā)送與接收。其初始化屬性設置如下:
If MSComm1.PortOpen=True Then
MSComm1.PortOpen=False
End If
MSComm1.CommPort=CommNum ‘串口號
'9600波特，無(wú)奇偶校驗，8 位數據，一個(gè)停止位。
MSComm1.Settings="9600,N,8,1"
MSComm1.InputLen=0
MSComm1.RThreshold=20 ‘接收數據門(mén)限
MSComm1.SThreshold=0 ‘發(fā)送完不成生事件
MSComm1.InputMode=comInputModeBinary
‘通信為二進(jìn)制模式
MSComm1.PortOpen=True ‘打開(kāi)串口
MSComm1.InBufferCount=0 ‘清空接收緩沖區
MSComm1.OutBufferCount=0 ‘清空發(fā)送緩沖區
下位機向上位機發(fā)送的數據幀格式如圖3所示:

圖3 接收數據幀式

每一幀數據由20個(gè)字節組成，依次是:一個(gè)字節的幀起始標志為FF;一個(gè)字節的數據組號;16個(gè)字節的數據;一個(gè)字節的校驗和，校驗和是組號和16個(gè)字節的數據間相互異或的結果;最后一個(gè)字節為幀結束標志為FD。16個(gè)字節的數據中每個(gè)字節表示一片電池的電壓值，為0～255的一個(gè)整數，將該數除以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)行串行通信接收數據時(shí)可采用兩種方式實(shí)現，一種是查詢(xún)方式，另一種是事件觸發(fā)方式。在本系統中選擇的是事件觸發(fā)方式，每當接收緩沖區中數據字節數到達20個(gè)時(shí)就觸發(fā)一個(gè)接收事件。接收通信程序如下:
Private Sub MSComm1_OnComm()
Dim InputData() As Byte
Dim strSum As Byte
Dim i As Integer
Dim Volvalue(0 To 18) As Single
With MSComm1
Select Case .CommEvent'判斷通信事件
comEvReceive: '收到20字節的數據
InputData = .Input‘讀接收緩沖區
If InputData(0) = 253 And InputData(18) = 237 Then ‘判斷收到的幀格式正確否
For i = 1 To 17 Step 1
Volvalue(i) = InputData(i)
Next I
strSum = InputData(1)
For i = 2 To 17‘計算校驗和
strSum = InputData(i) Xor strSum
Next I ‘將接受數據校驗和與發(fā)送校驗和異或
If strSum = "0" Then‘如果接收數據正確
Volvalue(N) = InputData(i) / 100
‘換算得到電壓實(shí)際值
…………數據處理
Case Else
MSComm1.InBufferCount = 0 ‘清空接收緩沖區
MsgBox "串口通信錯誤"
Exit Sub
End Sub

在此要注意的一點(diǎn)是從緩沖區讀數據時(shí)，數組InputData()一定要定義成Byte類(lèi)型不能為Integer或Single，因為接收模式設置為二進(jìn)制。上位機發(fā)送的指令較少也很簡(jiǎn)單在此就沒(méi)有仔細分析。

5 結束語(yǔ)
燃料電池作為21世紀前景比較看好的一種新的、潔凈型能源，有關(guān)它的各項技術(shù)的研究都有助于推動(dòng)它向實(shí)用階段進(jìn)一步發(fā)展。本文在單片電壓的檢測和分析系統的設計上作了一些工作。雖然是面向燃料電池的，但也可借鑒到其它類(lèi)似的多點(diǎn)檢測和控制系統的設計當中去。