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(jì)最有望取代目前汽車(chē)燃油內(nèi)燃機(jī)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(yīng)直接轉(zhuǎn)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(gòu)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(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(chē)項(xiàng)目中，燃料電池單片電壓巡檢測(cè)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(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該語(yǔ)言功能強(qiáng)大，具有面向?qū)ο蠛涂梢暬幊蹋缑嬗押?，特別適于在 Windows環(huán)境下圖形界面和用戶(hù)程序的編制，數(shù)據(jù)采集由多個(gè)以8位PIC單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集模塊來(lái)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(gè)數(shù)據(jù)采集模塊所組成，如圖1所示。上位機(jī)為一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，其主要功能是通過(guò)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(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(shì)曲線(xiàn);將測(cè)量數(shù)據(jù)分類(lèi)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，并具有對(duì)測(cè)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(lái)自上位機(jī)的控制命令

圖1 系統(tǒng)組成圖
實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)模塊的控制，并將各個(gè)模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232串口轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。主控單片機(jī)和各個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊間采用RS-485總線(xiàn)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(gè)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(cè)開(kāi)始命令后，按照輪循的方式依次給各個(gè)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，如果在等待時(shí)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(shí)仍然沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)就直接向下一個(gè)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(guò)RS-485總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)和主控單片機(jī)的通信。每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊在收到來(lái)自主控單片機(jī)的測(cè)試命令后開(kāi)始對(duì)其負(fù)責(zé)測(cè)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(gè)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(gè)數(shù)據(jù)模塊來(lái)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(jiǎn)指令集(RISC),哈佛雙總線(xiàn)和兩級(jí)指令系統(tǒng)流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)、指令簡(jiǎn)單易學(xué)易用等特點(diǎn)。其內(nèi)置8k14 Flash存儲(chǔ)器，1個(gè)10位四輸入通道A/D轉(zhuǎn)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(kuò)展器件少。在數(shù)據(jù)采集模塊中多路模擬信號(hào)的輸入是通過(guò)16路模擬開(kāi)關(guān)CD4067來(lái)選擇的，單片機(jī)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(zhǔn)許范圍內(nèi)，所以在CD4067的輸入口沒(méi)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(guò)485總線(xiàn)通信的，因此單片機(jī)的串口輸入/輸出要經(jīng)過(guò)MAX485進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后才能接到485總線(xiàn)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(méi)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(guò)簡(jiǎn)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:
If MSComm1.PortOpen=True Then
MSComm1.PortOpen=False
End If
MSComm1.CommPort=CommNum ‘串口號(hào)
'9600波特，無(wú)奇偶校驗(yàn)，8 位數(shù)據(jù)，一個(gè)停止位。
MSComm1.Settings="9600,N,8,1"
MSComm1.InputLen=0
MSComm1.RThreshold=20 ‘接收數(shù)據(jù)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(qū)
MSComm1.OutBufferCount=0 ‘清空發(fā)送緩沖區(qū)
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(gè)字節(jié)組成，依次是:一個(gè)字節(jié)的幀起始標(biāo)志為FF;一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)組號(hào);16個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù);一個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)和，校驗(yàn)和是組號(hào)和16個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)間相互異或的結(jié)果;最后一個(gè)字節(jié)為幀結(jié)束標(biāo)志為FD。16個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)中每個(gè)字節(jié)表示一片電池的電壓值，為0～255的一個(gè)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(shí)可采用兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種是查詢(xún)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(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(jié)的數(shù)據(jù)
InputData = .Input‘讀接收緩沖區(qū)
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(jì)算校驗(yàn)和
strSum = InputData(i) Xor strSum
Next I ‘將接受數(shù)據(jù)校驗(yàn)和與發(fā)送校驗(yàn)和異或
If strSum = "0" Then‘如果接收數(shù)據(jù)正確
Volvalue(N) = InputData(i) / 100
‘換算得到電壓實(shí)際值
…………數(shù)據(jù)處理
Case Else
MSComm1.InBufferCount = 0 ‘清空接收緩沖區(qū)
MsgBox "串口通信錯(cuò)誤"
Exit Sub
End Sub

在此要注意的一點(diǎn)是從緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)組InputData()一定要定義成Byte類(lèi)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(jiǎn)單在此就沒(méi)有仔細(xì)分析。

5 結(jié)束語(yǔ)
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(dòng)它向?qū)嵱秒A段進(jìn)一步發(fā)展。本文在單片電壓的檢測(cè)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(lèi)似的多點(diǎn)檢測(cè)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中去。