采用LabVIEW和NI-CAN開發(fā)燃料電池城市客車的整車信號(hào)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)

作者：劉國權(quán)
職務(wù)：研究生
公司：清華大學(xué)汽車工程系電動(dòng)汽車組

應(yīng)用領(lǐng)域：汽車工業(yè)

挑戰(zhàn)：燃料電池城市客車部件多、信號(hào)復(fù)雜，某些部件（如燃料電池、鎳氫輔助電池等）還存在運(yùn)行安全問題，需對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障診斷，保證整車的安全性；同時(shí)還需記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析各個(gè)部件的運(yùn)行特性，為整車控制策略提供依據(jù)。傳統(tǒng)的信號(hào)采集與信號(hào)處理方式已不能勝任，急需一種全新的解決方案。

應(yīng)用方案：設(shè)計(jì)燃料電池城市客車的整車CAN通訊網(wǎng)絡(luò)，用NI的CAN卡和LabVIEW搭建一個(gè)基于PC的信號(hào)監(jiān)測(cè)與故障系統(tǒng)，對(duì)整車各個(gè)部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后采用NI的DIAdem對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并生成試驗(yàn)報(bào)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(dòng)力汽車，其特點(diǎn)是車載電子控制單元多、整車信號(hào)煩雜。傳統(tǒng)的信號(hào)采集與信號(hào)處理方式很難勝任，控制器局域網(wǎng)（CAN）以其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、信號(hào)傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)，可滿足整車各個(gè)部件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(hào)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(jìn)行無縫連接，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并生成試驗(yàn)報(bào)表。整個(gè)系統(tǒng)的完成用時(shí)不到一個(gè)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(dòng)功率的能量總線和用于傳送監(jiān)測(cè)信號(hào)及控制命令的信號(hào)總線--CAN總線。各個(gè)汽車子部件均包含一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，用于向CAN總線發(fā)送自身的監(jiān)
測(cè)信號(hào)并接收整車控制器命令。信號(hào)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示，在Windows平臺(tái)上，用LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)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(shí)現(xiàn)對(duì)整車的信號(hào)監(jiān)測(cè)與故障診斷，同時(shí)利用NI的數(shù)據(jù)分析軟件DIAdem與LabVIEW進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)、分析，并生成試驗(yàn)報(bào)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(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。多個(gè)CAN控制器節(jié)點(diǎn)以CAN總線為物理媒介相聯(lián)系，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(bào)文，如果同時(shí)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求發(fā)送報(bào)文，即出現(xiàn)總線訪問沖突時(shí)，則根據(jù)傳送報(bào)文標(biāo)識(shí)符ID所定義的優(yōu)先權(quán)進(jìn)行逐位仲裁，具有優(yōu)先權(quán)的節(jié)點(diǎn)獲得總線訪問權(quán)，其它節(jié)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)通信模式）或29位（擴(kuò)展通信模式）二進(jìn)制標(biāo)識(shí)碼對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行標(biāo)識(shí)，因此可定義211或229個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊。這種通信方式具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、可擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。此外，它還具有錯(cuò)誤檢測(cè)和錯(cuò)誤界定功能，可判別暫時(shí)錯(cuò)誤和性故障并自動(dòng)斷開故障節(jié)點(diǎn)的功能，容錯(cuò)性能很好，是非常理想的現(xiàn)場(chǎng)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(duì)應(yīng)的API函數(shù)，在LabVIEW中只需簡單調(diào)用NI-CAN的子VI即可實(shí)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（可到1M波特率），還具有CAN網(wǎng)絡(luò)診斷功能，可以檢測(cè)出CAN總線的各種故障，是非常理想的CAN網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖形化、模塊化是LabVIEW的特點(diǎn)，在降低硬件操作難度的同時(shí)，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(shè)計(jì)上，從而開發(fā)出功能完善、可靠性高、界面友好的應(yīng)用程序。此外，LabVIEW功能強(qiáng)大而簡單易學(xué)的特點(diǎn)，也是我們選擇它作為開發(fā)工具的主要原因之一。

信號(hào)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)主要包括兩個(gè)模塊：在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)回放及故障再現(xiàn)系統(tǒng)。

在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)在汽車運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)部件的各種運(yùn)行參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)對(duì)其進(jìn)行故障診斷，在發(fā)現(xiàn)故障的時(shí)候及時(shí)報(bào)警，避免事故的發(fā)生。此外，它還必須將這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存到硬盤中，以供離線分析和報(bào)表制作所用。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(chǔ)是基本功能模塊，這一線程的實(shí)時(shí)性要求；而數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)查看和汽車性能試驗(yàn)?zāi)K主要負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行交互，實(shí)時(shí)性要求不高。因此在程序設(shè)計(jì)中應(yīng)給前一個(gè)線程付以高優(yōu)先級(jí)。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(yīng)用戶輸入以及顯示數(shù)據(jù)，由于該線程優(yōu)先級(jí)要求不高，因此設(shè)置了100ms的等待延時(shí)。

在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)的信號(hào)非常多、非常復(fù)雜，主要分成以下幾個(gè)區(qū)域：整車狀態(tài)顯示區(qū)（左上方）--用于顯示車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、檔位、加速踏板、制動(dòng)踏板以及各個(gè)動(dòng)力部件的功率消耗等信號(hào)；電機(jī)狀態(tài)顯示區(qū)（"Motor"區(qū)域）--用于顯示電機(jī)控制器電流、控制器溫度、電機(jī)溫度等信號(hào)；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(duì)燃料電池的功率需求、對(duì)主DC/DC的輸出電壓需求以及各個(gè)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(shí)際輸出電壓、電流以及溫度等信號(hào)；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(hào)；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(hào)。對(duì)于以上各個(gè)信號(hào)，在燃料電池汽車試驗(yàn)過程中都必須進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷。

其中，對(duì)于蓄電池來說，由于采用的是鋰離子或鎳氫電池，各個(gè)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(gè)單體的過充或過放都可能導(dǎo)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(shè)置了兩個(gè)按鈕，用于調(diào)出詳細(xì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(yàn)數(shù)據(jù)和故障信息，在此不做詳細(xì)介紹。該系統(tǒng)用于試驗(yàn)結(jié)束后再現(xiàn)試驗(yàn)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(shí)間點(diǎn)上詳細(xì)顯示當(dāng)時(shí)各個(gè)零部件的運(yùn)行狀態(tài)，這對(duì)分析故障原因具有非常重要的作用。

完成試驗(yàn)后，需要對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并撰寫試驗(yàn)。這里我們?cè)俨捎昧薔I的數(shù)據(jù)分析軟件--DIAdem，不僅因?yàn)樗鼣?shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大、數(shù)據(jù)量幾乎沒有限制（長可到10億個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)），更因?yàn)樗cLabVIEW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(dǎo)入、導(dǎo)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(fù)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(luò)通訊，免去了底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的復(fù)雜工作。即使開發(fā)者沒有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面的知識(shí)，也可以利用LabVIEW進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的開發(fā)。

這里，我們?cè)谌剂想姵爻鞘锌蛙嚿蠘?gòu)建無線局域網(wǎng)，用一臺(tái)筆記本電腦作為服務(wù)器，運(yùn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整車信號(hào)，然后利用LabVIEW的Web Sever技術(shù)，將信號(hào)監(jiān)測(cè)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(jì)算機(jī)均可通過服務(wù)器的IP地址瀏覽該程序的前面板，如圖7所示。如果服務(wù)器授予客戶機(jī)控制權(quán)，客戶機(jī)還可以控制前面板上的所有控件，實(shí)現(xiàn)真正的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

結(jié)論

利用NI公司的硬件產(chǎn)品和軟件平臺(tái)，我們?cè)诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)完成了燃料電池城市客車信號(hào)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的搭建。在實(shí)車試驗(yàn)中，汽車運(yùn)行1小時(shí)大約會(huì)在CAN總線上傳輸40M左右的數(shù)據(jù)，在電磁干擾和機(jī)械振動(dòng)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(yīng)用戶的各種操作，其實(shí)時(shí)性、可靠性均得到了驗(yàn)證。在LabVIEW Web Sever技術(shù)的支持下我們還實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)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(yàn)報(bào)表。