基于LabVIEW的氫燃料叉車遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

李曉哲

（上海大學(xué)管理學(xué)院，上海 200444）

氫燃料是當(dāng)前新能源汽車領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，氫燃料電池系統(tǒng)因其高功率、低噪音、零污染等優(yōu)勢(shì)具備廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景[1]。但是氫燃料電池系統(tǒng)整體的體積和重量較大，目前在乘用車領(lǐng)域應(yīng)用較少，特別是在國(guó)內(nèi)，其應(yīng)用主要集中在公交車、叉車、重型卡車等方面[2-3]。X公司研發(fā)了一套氫燃料叉車系統(tǒng)，在正式投入市場(chǎng)營(yíng)運(yùn)之前，有必要對(duì)車輛運(yùn)行中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理，記錄并評(píng)估其上路的各項(xiàng)性能。為此搭建了一套遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)氫燃料叉車系統(tǒng)CAN總線數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)，利用LabVIEW[4-5]編寫上位機(jī)并采集與管理數(shù)據(jù)，協(xié)議解析，數(shù)據(jù)的顯示及存儲(chǔ)等功能。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 硬件系統(tǒng)概述

氫燃料叉車數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由氫燃料電池系統(tǒng)、CAN總線、CANDTU-200UWG型無(wú)線終端、云端服務(wù)器以及數(shù)據(jù)流量卡組成，各個(gè)部分的關(guān)系示意圖與叉車運(yùn)行實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 叉車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖與實(shí)物圖

1.2 CAN總線

CAN總線由CANH與CANL兩條總線構(gòu)成，相

較于RS485通信總線，CAN總線具備傳輸速度快、抗干擾能力強(qiáng)、總線利用率高且具備完整的錯(cuò)誤檢測(cè)與保護(hù)機(jī)制等優(yōu)勢(shì)[6]，是目前應(yīng)用最廣泛的工業(yè)級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線之一。本文采用CAN總線數(shù)據(jù)幀類型為擴(kuò)展幀，主要由幀起始SOF、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、CRC校驗(yàn)場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)與幀結(jié)尾EOF構(gòu)成。本文采用了周立功的CANDTU-200UWG型終端，并取得云平臺(tái)技術(shù)支持，通過(guò)調(diào)用DLL文件可以快速獲取并解析CAN總線數(shù)據(jù)。

2 軟件系統(tǒng)

利用LabVIEW軟件編制上位機(jī)，采用QMH（隊(duì)列消息處理器）[7-8]框架，QMH框架依賴于LabVIEW軟件的隊(duì)列技術(shù)，具備高內(nèi)聚、低耦合、易擴(kuò)展的特性，適合多線程并行程序的開(kāi)發(fā)。本文利用此框架搭建了控制器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示以及用戶界面等四個(gè)模塊。

2.1 隊(duì)列創(chuàng)建

首先創(chuàng)建隊(duì)列通道，為隊(duì)列創(chuàng)建程序框圖，利用“For循環(huán)”創(chuàng)建本文所需要的四個(gè)隊(duì)列并配置隊(duì)列名稱與數(shù)據(jù)類型，通過(guò)“強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換”函數(shù)將輸出的隊(duì)列引用數(shù)組轉(zhuǎn)換為簇，可以在程序的任意位置獲取各個(gè)模塊的隊(duì)列引用。

2.2 控制器模塊

控制器模塊為整個(gè)程序的控制核心，負(fù)責(zé)響應(yīng)用戶界面、程序停止、隊(duì)列注銷等操作。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要依賴于周立功二次開(kāi)發(fā)函數(shù)庫(kù)與ZCloud云平臺(tái)支持，通過(guò)LabVIEW“調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)”函數(shù)調(diào)用DLL來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與云平臺(tái)的交互功能，主要的函數(shù)庫(kù)調(diào)用順序?yàn)椋?）首先調(diào)用“ZCLOUD_SetServerInfo”與“ZCLOUD_ConnectServer”函數(shù)連接云平臺(tái)，并調(diào)用“ZCAN_OpenDevice”“ZCAN_InitCAN”與“ZCAN_StartCAN”函數(shù)配置設(shè)備句柄以及通道句柄；2）調(diào)用“ZCAN_GetReceiveNum”函數(shù)查詢當(dāng)前CAN卡緩沖區(qū)內(nèi)部的報(bào)文數(shù)目，若大于0，將調(diào)用“ZCAN_Receive”函數(shù)接收Buffer內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，若CAN卡內(nèi)的數(shù)據(jù)數(shù)目為0，則等待100 ms后繼續(xù)執(zhí)行此步驟；3）利用For循環(huán)將采集到的原始數(shù)據(jù)以“簇”的形式輸入“數(shù)據(jù)顯示”隊(duì)列處理。

2.4 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊主要包括數(shù)據(jù)解析與數(shù)據(jù)顯示模塊，本文通過(guò)X-NET工具包定義了DBC[9]文件，實(shí)現(xiàn)了DBC文件自動(dòng)解析，可以自動(dòng)識(shí)別報(bào)文參數(shù)，并根據(jù)DBC文件反映的信息解析CAN報(bào)文。實(shí)現(xiàn)方法為：1）首先將數(shù)據(jù)簇解綁為ID與U8數(shù)組報(bào)；2）將U8數(shù)組轉(zhuǎn)換為64位布爾數(shù)組，根據(jù)DBC定義的CAN節(jié)點(diǎn)信息，索引出布爾數(shù)組內(nèi)對(duì)應(yīng)的信號(hào)值；3）經(jīng)過(guò)程序自動(dòng)換算獲得解析值，將解析好的數(shù)據(jù)輸入“用戶界面”隊(duì)列中，DBC文件數(shù)據(jù)解析程序框圖如圖2所示。

圖2 DBC文件解析程序框圖

2.5 GUI界面設(shè)計(jì)

GUI界面主要負(fù)責(zé)與前面板控件與菜單欄事件響應(yīng)[10]，用戶可以通過(guò)菜單按鈕切換選項(xiàng)卡主頁(yè)面，亦可存儲(chǔ)源數(shù)據(jù)或者解析數(shù)據(jù)，并保存為CSV文件格式。氫燃料叉車數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)用戶界面如圖3所示。

圖3 叉車數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的用戶界面

3 結(jié)論

搭建完整的氫燃料叉車遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，向車載儲(chǔ)氫罐充入一定量氫氣進(jìn)行測(cè)試，使用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集和解析數(shù)據(jù)，氫燃料叉車系統(tǒng)輸出的電壓、電流和氫氣剩余量如圖4所示。

圖4 氫燃料叉車運(yùn)行數(shù)據(jù)

測(cè)試表明，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)每完成一次數(shù)據(jù)采集處理的響應(yīng)間隔為20 ms，采集的燃料電池電壓（Fuel cell output voltage）、燃料電池電流（Fuel cell output current）和氫氣剩余量（Fuel surplus）等數(shù)據(jù)清晰完整。通過(guò)分析數(shù)據(jù)文件，可以有效幫助技術(shù)人員做好氫叉車研發(fā)項(xiàng)目的質(zhì)量管理和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等工作，對(duì)方案的進(jìn)一步優(yōu)化也起到了極大推動(dòng)作用。