開發(fā)燃料電池城市客車的整車信號監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)

    挑戰(zhàn)：燃料電池城市客車部件多、信號復雜，某些部件（如燃料電池、鎳氫輔助電池等）還存在運行安全問題，需對各個部件進行實時監(jiān)測及故障診斷，保證整車的安全性；同時還需記錄試驗數(shù)據(jù)，分析各個部件的運行特性，為整車控制策略提供依據(jù)。傳統(tǒng)的信號采集與信號處理方式已不能勝任，急需一種全新的解決方案。

    應用方案：設計燃料電池城市客車的整車CAN通訊網(wǎng)絡，用NI的CAN卡和LabVIEW搭建一個基于PC的信號監(jiān)測與故障系統(tǒng)，對整車各個部件進行實時監(jiān)測和故障診斷，并記錄試驗數(shù)據(jù)，然后采用NI的DIAdem對試驗數(shù)據(jù)進行處理，并生成試驗報表。

    使用的產(chǎn)品：LabVIEW6.1, DIAdem9.0， PCMCIA-CAN/2 (Serious2)。

    介紹

    燃料電池城市客車屬于混合動力汽車，其特點是車載電子控制單元多、整車信號煩雜。傳統(tǒng)的信號采集與信號處理方式很難勝任，控制器局域網(wǎng)（CAN）以其拓撲結(jié)構(gòu)簡單、信號傳輸可靠等優(yōu)點，可滿足整車各個部件的實時監(jiān)測與故障診斷需求。NI公司推出了基于PCMCIA 接口的CAN卡，并提供了功能完善的API函數(shù)，可在LabVIEW環(huán)境下很方便的搭建CAN總線信號采集與故障診斷系統(tǒng)。此外，NI公司推出的數(shù)據(jù)分析軟件DIAdem，可與LabVIEW進行無縫連接，對試驗數(shù)據(jù)進行分析處理并生成試驗報表。

    整個系統(tǒng)的完成用時不到一個月，可以說，NI為我們提供了一整套高效、可靠的開發(fā)工具。

    系統(tǒng)組成

    燃料電池城市客車的系統(tǒng)組成如圖1所示，它包括用于傳輸大電流驅(qū)動功率的能量總線和用于傳送監(jiān)測信號及控制命令的信號總線——CAN總線。各個汽車子部件均包含一個CAN節(jié)點，用于向CAN總線發(fā)送自身的監(jiān)測信號并接收整車控制器命令。

    信號監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示，在Windows平臺上，用LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)應用程序，通過NI的PCMCIA接口形式的CAN卡采集CAN總線數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對整車的信號監(jiān)測與故障診斷，同時利用NI的數(shù)據(jù)分析軟件DIAdem與LabVIEW進行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動存儲、分析，并生成試驗報表。

    CAN總線技術(shù)

    控制器局部網(wǎng)（CAN－Controller Area Network）是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡。多個CAN控制器節(jié)點以CAN總線為物理媒介相聯(lián)系，每個節(jié)點均可在總線空閑期間向總線發(fā)送符合CAN通信協(xié)議的報文，如果同時有多個節(jié)點請求發(fā)送報文，即出現(xiàn)總線訪問沖突時，則根據(jù)傳送報文標識符ID所定義的優(yōu)先權(quán)進行逐位仲裁，具有最高優(yōu)先權(quán)的節(jié)點獲得總線訪問權(quán)，其它節(jié)點則停止發(fā)送數(shù)據(jù)。目前主要的CAN協(xié)議技術(shù)規(guī)范是1991年9月由Philips Semiconductors制定發(fā)布的Version2.0，該技術(shù)規(guī)范包括A和B兩部分。CAN協(xié)議廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，采用數(shù)據(jù)編碼——由11位（標準通信模式）或29位（擴展通信模式）二進制標識碼對數(shù)據(jù)塊進行標識，因此可定義211或229個不同的數(shù)據(jù)塊。這種通信方式具有網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單、可擴展性強、靈活性高、抗干擾能力強等優(yōu)點。此外，它還具有錯誤檢測和錯誤界定功能，可判別暫時錯誤和永久性故障并自動斷開故障節(jié)點的功能，容錯性能很好，是非常理想的現(xiàn)場控制和車載系統(tǒng)控制方案。

    NI公司推出的CAN總線技術(shù)不僅包括PCI、PCMCIA等各種接口形式的CAN卡（支持2.0A和2.0B協(xié)議），還封裝好了對應的API函數(shù)，在LabVIEW中只需簡單調(diào)用NI-CAN的子VI即可實現(xiàn)與CAN總線的通訊。我們采用的是NI的Serious 2系列CAN卡，它以SJA1000作為CAN控制器，不僅通訊速率高（最高可到1M波特率），還具有CAN網(wǎng)絡診斷功能，可以檢測出CAN總線的各種故障，是非常理想的CAN網(wǎng)絡開發(fā)工具。

    系統(tǒng)軟件設計

    圖形化、模塊化是LabVIEW的最大特點，在降低硬件操作難度的同時，它還大大簡化了系統(tǒng)的構(gòu)建以及代碼的編寫，可以使開發(fā)者把主要精力集中在系統(tǒng)的設計上，從而開發(fā)出功能完善、可靠性高、界面友好的應用程序。此外，LabVIEW功能強大而簡單易學的特點，也是我們選擇它作為開發(fā)工具的主要原因之一。

    信號監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)主要包括兩個模塊：在線實時監(jiān)測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)回放及故障再現(xiàn)系統(tǒng)。

    在線實時監(jiān)測系統(tǒng)主要負責在汽車運行過程中，實時監(jiān)測各個部件的各種運行參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)對其進行故障診斷，在發(fā)現(xiàn)故障的時候及時報警，避免事故的發(fā)生。此外，它還必須將這些實時數(shù)據(jù)保存到硬盤中，以供離線分析和報表制作所用。實時監(jiān)測系統(tǒng)又劃分為若干功能模塊，如圖3所示。其中，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、故障診斷和數(shù)據(jù)存儲是基本功能模塊，這一線程的實時性要求最高；而數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)查看和汽車性能試驗模塊主要負責與用戶進行交互，實時性要求不高。因此在程序設計中應給前一個線程付以高優(yōu)先級。該系統(tǒng)的部分LabVIEW程序框圖如圖4所示，圖中下方的While循環(huán)采用了Event結(jié)構(gòu)，用于響應用戶輸入以及顯示數(shù)據(jù)，由于該線程優(yōu)先級要求不高，因此設置了100ms的等待延時。

    在線實時監(jiān)測系統(tǒng)的前面板如圖5所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)監(jiān)測的信號非常多、非常復雜，主要分成以下幾個區(qū)域：整車狀態(tài)顯示區(qū)（左上方）——用于顯示車速、電機轉(zhuǎn)速、檔位、加速踏板、制動踏板以及各個動力部件的功率消耗等信號；電機狀態(tài)顯示區(qū)（“Motor”區(qū)域）——用于顯示電機控制器電流、控制器溫度、電機溫度等信號；整車控制器狀態(tài)顯示區(qū)（“Main Controller”區(qū)域）——用于顯示整車控制器發(fā)出的轉(zhuǎn)矩需求、對燃料電池的功率需求、對主DC/DC的輸出電壓需求以及各個部件的開關(guān)等控制命令；主DC/DC狀態(tài)顯示區(qū)（“Main DC/DC”區(qū)域）——用于顯示主DC/DC的實際輸出電壓、電流以及溫度等信號；燃料電池狀態(tài)顯示區(qū)（“FC”區(qū)域）——用于顯示燃料電池的輸出電壓、電流、冷卻水溫、單體電壓、故障狀態(tài)等信號；蓄電池狀態(tài)顯示區(qū)（“Battery”區(qū)域）——用于顯示蓄電池的電壓、充放電電流、單體電壓、電池箱溫度等信號。對于以上各個信號，在燃料電池汽車試驗過程中都必須進行實時監(jiān)測和故障診斷。

    其中，對于蓄電池來說，由于采用的是鋰離子或鎳氫電池，各個單體的均一性顯得尤為重要，它不僅影響蓄電池的使用性能和壽命，還關(guān)系到整車的安全問題，某個單體的過充或過放都可能導致電池箱溫度急劇上升甚至爆炸。因此需要特別關(guān)注蓄電池的單體電壓和單體溫度，除了在主界面顯示出來以外（右下方的白色線狀圖）外，還設置了兩個按鈕，用于調(diào)出詳細顯示單體信息的子VI，如圖6所示。柱狀圖中的紅色單體表明該單體的電壓或溫度超出了安全極限，予以警示。

    數(shù)據(jù)回放與故障再現(xiàn)系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)與前面板與實時監(jiān)測系統(tǒng)基本一樣，只是將數(shù)據(jù)采集模塊換成了數(shù)據(jù)讀取模塊——從硬盤中讀取記錄好的試驗數(shù)據(jù)和故障信息，在此不做詳細介紹。該系統(tǒng)用于試驗結(jié)束后再現(xiàn)試驗過程，可連續(xù)回放，也能單步執(zhí)行，因此可以在發(fā)生故障的時間點上詳細顯示當時各個零部件的運行狀態(tài)，這對分析故障原因具有非常重要的作用。

完成試驗后，需要對試驗數(shù)據(jù)進行分析和處理，并撰寫試驗報告。這里我們再一次采用了NI的數(shù)據(jù)分析軟件——DIAdem，不僅因為它數(shù)據(jù)處理功能強大、數(shù)據(jù)量幾乎沒有限制（最長可到10億個數(shù)據(jù)點），更因為它與LabVIEW的無縫連接——可在LabVIEW中直接調(diào)用DIAdem，也可在DIAdem中調(diào)用LabVIEW，大大簡化了數(shù)據(jù)的導入、導出、分類等過程.

    LabVIEW的Web Sever技術(shù)

    NI的LabVIEW還集成了Web Sever技術(shù)，將復雜的TCP/IP、UDP、Socket等技術(shù)封裝在若干子VI中。只需調(diào)用這些子VI，即可完成網(wǎng)絡通訊，免去了底層網(wǎng)絡協(xié)議的復雜工作。即使開發(fā)者沒有網(wǎng)絡協(xié)議方面的專業(yè)知識，也可以利用LabVIEW進行網(wǎng)絡應用程序的開發(fā)。

    這里，我們在燃料電池城市客車上構(gòu)建無線局域網(wǎng)，用一臺筆記本電腦作為服務器，運行信號監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，實時監(jiān)測整車信號，然后利用LabVIEW的Web Sever技術(shù)，將信號監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的前面板發(fā)布到Internet上。這樣，所有接入Internet、并獲得Web Sever訪問權(quán)限的計算機均可通過服務器的IP地址瀏覽該程序的前面板，如圖7所示。如果服務器授予客戶機控制權(quán)，客戶機還可以控制前面板上的所有控件，實現(xiàn)真正的遠程監(jiān)控。

   結(jié)論

   利用NI公司的硬件產(chǎn)品和軟件平臺，我們在很短的時間內(nèi)完成了燃料電池城市客車信號監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的搭建。在實車試驗中，汽車運行1小時大約會在CAN總線上傳輸40M左右的數(shù)據(jù)，在電磁干擾和機械振動比較惡劣的環(huán)境下，系統(tǒng)不僅可以完全記錄下這些數(shù)據(jù)，還可以快速響應用戶的各種操作，其實時性、可靠性均得到了驗證。在LabVIEW Web Sever技術(shù)的支持下我們還實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。此外，利用DIAdem還可完成數(shù)據(jù)處理與分析，快速生成試驗報表。