基于LabVIEW的氢燃料叉车远程数据管理系统
2022-09-03李晓哲
李晓哲
（上海大学管理学院，上海 200444）
氢燃料是当前新能源汽车领域研究的重点，氢燃料电池系统因其高功率、低噪音、零污染等优势具备广阔的市场应用前景[1]。但是氢燃料电池系统整体的体积和重量较大，目前在乘用车领域应用较少，特别是在国内，其应用主要集中在公交车、叉车、重型卡车等方面[2-3]。X公司研发了一套氢燃料叉车系统，在正式投入市场营运之前，有必要对车辆运行中的各项数据进行实时监测与管理，记录并评估其上路的各项性能。为此搭建了一套远程数据管理系统，实现氢燃料叉车系统CAN总线数据上传云平台，利用LabVIEW[4-5]编写上位机并采集与管理数据，协议解析，数据的显示及存储等功能。
1 硬件系统
1.1 硬件系统概述
氢燃料叉车数据管理系统的硬件系统主要由氢燃料电池系统、CAN总线、CANDTU-200UWG型无线终端、云端服务器以及数据流量卡组成，各个部分的关系示意图与叉车运行实物图如图1所示。
图1 叉车数据采集系统示意图与实物图
1.2 CAN总线
CAN总线由CANH与CANL两条总线构成，相
较于RS485通信总线，CAN总线具备传输速度快、抗干扰能力强、总线利用率高且具备完整的错误检测与保护机制等优势[6]，是目前应用最广泛的工业级现场总线之一。本文采用CAN总线数据帧类型为扩展帧，主要由帧起始SOF、仲裁场、控制场、数据场、CRC校验场、应答场与帧结尾EOF构成。本文采用了周立功的CANDTU-200UWG型终端，并取得云平台技术支持，通过调用DLL文件可以快速获取并解析CAN总线数据。
2 软件系统
利用LabVIEW软件编制上位机，采用QMH（队列消息处理器）[7-8]框架，QMH框架依赖于LabVIEW软件的队列技术，具备高内聚、低耦合、易扩展的特性，适合多线程并行程序的开发。本文利用此框架搭建了控制器、数据采集、数据显示以及用户界面等四个模块。
2.1 队列创建
首先创建队列通道，为队列创建程序框图，利用“For循环”创建本文所需要的四个队列并配置队列名称与数据类型，通过“强制类型转换”函数将输出的队列引用数组转换为簇，可以在程序的任意位置获取各个模块的队列引用。
2.2 控制器模块
控制器模块为整个程序的控制核心，负责响应用户界面、程序停止、队列注销等操作。
2.3 数据采集模块
数据采集模块主要依赖于周立功二次开发函数库与ZCloud云平台支持，通过LabVIEW“调用库函数节点”函数调用DLL来实现上位机与云平台的交互功能，主要的函数库调用顺序为：1）首先调用“ZCLOUD_SetServerInfo”与“ZCLOUD_ConnectServer”函数连接云平台，并调用“ZCAN_OpenDevice”“ZCAN_InitCAN”与“ZCAN_StartCAN”函数配置设备句柄以及通道句柄；2）调用“ZCAN_GetReceiveNum”函数查询当前CAN卡缓冲区内部的报文数目，若大于0，将调用“ZCAN_Receive”函数接收Buffer内的所有数据，若CAN卡内的数据数目为0，则等待100 ms后继续执行此步骤；3）利用For循环将采集到的原始数据以“簇”的形式输入“数据显示”队列处理。
2.4 数据显示模块
数据显示模块主要包括数据解析与数据显示模块，本文通过X-NET工具包定义了DBC[9]文件，实现了DBC文件自动解析，可以自动识别报文参数，并根据DBC文件反映的信息解析CAN报文。实现方法为：1）首先将数据簇解绑为ID与U8数组报；2）将U8数组转换为64位布尔数组，根据DBC定义的CAN节点信息，索引出布尔数组内对应的信号值；3）经过程序自动换算获得解析值，将解析好的数据输入“用户界面”队列中，DBC文件数据解析程序框图如图2所示。
图2 DBC文件解析程序框图
2.5 GUI界面设计
GUI界面主要负责与前面板控件与菜单栏事件响应[10]，用户可以通过菜单按钮切换选项卡主页面，亦可存储源数据或者解析数据，并保存为CSV文件格式。氢燃料叉车数据管理系统用户界面如图3所示。
图3 叉车数据管理系统的用户界面
3 结论
搭建完整的氢燃料叉车远程数据管理系统，向车载储氢罐充入一定量氢气进行测试，使用远程数据管理系统实时采集和解析数据，氢燃料叉车系统输出的电压、电流和氢气剩余量如图4所示。
图4 氢燃料叉车运行数据
测试表明，远程数据管理系统每完成一次数据采集处理的响应间隔为20 ms，采集的燃料电池电压（Fuel cell output voltage）、燃料电池电流（Fuel cell output current）和氢气剩余量（Fuel surplus）等数据清晰完整。通过分析数据文件，可以有效帮助技术人员做好氢叉车研发项目的质量管理和风险评估等工作，对方案的进一步优化也起到了极大推动作用。
