摘 要: 應用Visual Basic6.0開發(fā)燃料電池發(fā)動機車載監(jiān)控系統(tǒng)軟件，包括動態(tài)主控界面設計、通訊程序設計、控制程序設計和數(shù)據(jù)存儲程序設計。描述了整個監(jiān)控畫面的設計原理和方法，詳細地介紹了通信協(xié)議和上位機監(jiān)控程序的工作流程，并補充說明了VB中PID控制算法的實現(xiàn)，用以調整電堆溫度、壓力、水位等各種監(jiān)控參數(shù);最后介紹了歷史數(shù)據(jù)存儲程序的操作方法。實踐證明，該系統(tǒng)圖形界面友好，數(shù)據(jù)采集準確可靠，操作簡單，安全穩(wěn)定。 關鍵詞: VB;燃料電池發(fā)動機;串行數(shù)據(jù)通信;PID控制 前言 　　為了保護地球環(huán)境，以燃料電池代替燃油發(fā)動機是未來汽車發(fā)展的趨勢。燃料電池汽車與傳統(tǒng)汽車的區(qū)別主要在于由燃料電池動力系統(tǒng)替換了傳統(tǒng)的內燃機動力系統(tǒng)。顯然，其發(fā)動機系統(tǒng)的研究成了燃料電池電動汽車研發(fā)的關鍵。因此，在研發(fā)過程中，需要對發(fā)動機的各系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，記錄各種相關試驗數(shù)據(jù)，分析其運行特性，為發(fā)動機控制策略的不斷改進提供依據(jù)，同時對整車性能進行評估。因此，燃料電池發(fā)動機車載控制系統(tǒng)的開發(fā)具有很重要的現(xiàn)實意義。 　　VisualBasic6.0提供了豐富的控件，可以方便、快捷地開發(fā)燃料電池發(fā)動機車載系統(tǒng)的整個軟件程序，達到對現(xiàn)場各個參數(shù)有效監(jiān)控的目的。同時，VB中PID控制算法也可以對燃料電池水量、溫度、壓力等各個監(jiān)控量進行實時整定。 1 燃料電池車載監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計 　　Visual Basic（簡稱VB），是微軟公司推出的強有力的系列開發(fā)軟件之一。不但提供了良好的界面設計能力，而且在微機串口通信方面也有很強的功能，它提供的串行通信控件MSComm32.OCX，全面提供了使用RS-232進行數(shù)據(jù)通信的所有協(xié)議,我們可以使用不同的工作方式來處理和解決燃料電池車載監(jiān)控系統(tǒng)通信軟件設計的所有問題。 　　1.1 主控界面設計 　　燃料電池主控界面的設計是整個上位機軟件設計的重點之一，它直接影響發(fā)動機系統(tǒng)監(jiān)控效率的高低。因此，清晰、人性化的界面設計是整個軟件開發(fā)的重要前提。 　　以VB6.0為軟件平臺開發(fā)的燃料電池車載監(jiān)控系統(tǒng)的主控畫面如圖1所示。 通過該主界面可以完成對系統(tǒng)主要設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，包括用不同的顏色來表示設備的啟、停，用文本框顯示系統(tǒng)主要的運行參數(shù)，如電壓、電流、壓力等，利用CommandButton控件的Click事件完成布爾變量的發(fā)送，從而實現(xiàn)對開關和閥門的開啟、關閉控制。同時，添加各種控件，導入圖片，并通過設置其不同屬性，達到了美觀、實用的效果。 [align=center] 圖1 燃料電池車載監(jiān)控系統(tǒng)主畫面[/align] 　　1.2 通信程序設計 　　燃料電池發(fā)動機車載監(jiān)控系統(tǒng)的通信包括上位機和下位機的通信。主要是PC機和下位機硬件之間通過串口線完成數(shù)據(jù)的傳輸，以期對工業(yè)現(xiàn)場采集的信息進行適時準確地監(jiān)控。 　　1.2.1 通信協(xié)議 　　在串行通信的實現(xiàn)過程中，底層為通信工作以及操作系統(tǒng)和計算機硬件提供了有力的支持，但是為了實現(xiàn)特定的用戶功能，必須在軟件中制定基于應用的通信協(xié)議。在開發(fā)燃料電池串行數(shù)據(jù)通信程序的過程中，通過長期的調試和不斷的總結，最終得到一套完整而可靠的通信協(xié)議.該協(xié)議一共分為3層，分別為： 　　1.物理層。規(guī)定了電子電氣方面的特性及原始位流在物理鏈路上的傳輸，提供了原始位流傳輸信道; 　　串行通信口：RS-232串口 　　硬件接口：DSP輸出的TTL電平經(jīng)專用集成塊轉換成RS-232信號 　　波特率：9600 　　字符格式：8位數(shù)據(jù)位，1位停止位 　　差錯校驗：無奇偶校驗 　　2.數(shù)據(jù)鏈接層。定義了數(shù)據(jù)幀作為信息傳輸單元，使用差錯校驗和幀應答等技術，屏蔽物理路上的噪聲，使傳輸通道變成一條可靠的信道;數(shù)據(jù)鏈接層為數(shù)據(jù)的準確通信提供了充足的信息。表1描述了設備數(shù)據(jù)包傳輸?shù)慕Y構。 　　表1 數(shù)據(jù)包傳輸結構 　　LENGTH——數(shù)據(jù)包字節(jié)總數(shù); 　　TYPE——命令類型。分為系統(tǒng)型（0X00）、具體型（0X11，0X13，0X15，0X16，0X17，0X18，0X1A，0X1B）和多協(xié)議型（0X14）; 　　CMD——命令的ID號。決定命令類型為命令信息還是應答信息; 　　DATA——由CMD決定數(shù)據(jù)字節(jié)長度; 　　CHKSUM——校驗和碼。循環(huán)冗余校驗是一種常用的校驗碼。 　　3.應用層。負責建立通信伙伴之間的連接關系，實現(xiàn)操作同步，報警及數(shù)據(jù)完整性等管理任務。對用戶及用戶程序提供以下功能： 　　（1）選擇控制多臺下位機定時，即時或適時跟蹤采樣現(xiàn)場信息，將數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)庫保存，數(shù)據(jù)庫存儲一定時段的數(shù)據(jù)，程序具有對數(shù)據(jù)二次處理，繪制曲線圖及報警等功能; 　　（2）設置采樣參數(shù); 　　（3）當通信線路中斷或通信失敗時，往下位機發(fā)出報警信息; 　　1.2.2 上位機工作流程 　　燃料電池發(fā)動機車載監(jiān)控系統(tǒng)的上位機軟件分為手動程序和自動程序，自動程序是通信程序設計的最終版，一旦進入開機工作狀態(tài)，就能夠自動完成對下位機的監(jiān)控功能，包括發(fā)送和接收信息。（‘＊＊＊＊＊＊＊為注釋部分） 　　（1） 發(fā)送信息程序段。其工作流程如下圖2。簡單代碼舉例如下： 　　Private Sub Cmdstop_Click（） ‘＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊發(fā)送開機命令＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ 　　byteout（0） = &HAA 　　byteout（1） = &H55 　　MSComm1.Output = byteout 　　End Sub 　　（2）接收信息程序段。接收部分需要準確采集現(xiàn)場上傳的適時參數(shù)，如溫度、電流、電壓、水位等，以便分析和改進整車性能，是通信程序設計的重點，通過VB中MSComm控件的OnComm事件來完成。其工作流程如下圖3，簡單代碼舉例如下： 　　Private Sub MSComm1_OnComm（） ‘＊＊＊數(shù)據(jù)接收 　　Dim buf（） As Variant 　　Dim buf1（1 To 2） As Byte 　　buf = MSComm1.Input ‘＊＊＊通過MSComm的Iutput屬性接收數(shù)據(jù) 　　buf1（1） = buf（0） 　　buf1（2） = buf（1） 　　Text1.Text = buf1（2） ＊ 256 + buf1（1） 　　End Sub [align=center] 圖2 上位機發(fā)送信息流程圖 圖3 上位機接收信息流程圖[/align] 2 控制程序設計 　　PID控制是比例，積分，微分控制的縮寫。它具有原理簡單、使用方便、適用性廣和魯棒性強等特點，在工業(yè)控制領域具有強大的生命力。改變P可提高響應速度，減小靜態(tài)誤差，但太大會增大超調量和穩(wěn)定時間;I與P的作用基本相似，但要使靜態(tài)誤差為0，必須使用積分;D與P,I的作用相反，主要是為了減小超調，減小穩(wěn)定時間。在仿真和實驗中，如果被控對象的結構和參數(shù)不能完全把握，或者得不到精確的數(shù)學模型，而且其它常規(guī)的控制方法難以實現(xiàn)，這時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調試來確定，采用PID控制技術最為方便。 　　現(xiàn)階段，我們對燃料電池電堆的模型不是十分了解，還不能通過有效的測試手段來獲得系統(tǒng)的參數(shù)，因此，采用增量PID控制算法比較適合。在VB中，增量PID控制算法是通過自定義Function函數(shù)及調用該函數(shù)來實現(xiàn)的。 　　自定義Function函數(shù)： 　　Public Function PID（ByVal P As Single, I As Single, D As Single, PIDset As Single, PIDreturn As Single, DeltaPIDpre_1 As Single, DeltaPIDpre_2 As Single） As Single ‘＊＊＊＊＊＊＊＊增量PID計算自定義函數(shù)＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ 　　‘＊＊P——PID比例系數(shù);I——PID積分系數(shù);D——PID微分系數(shù) 　　‘＊＊PIDset——PID設定值 　　‘＊＊PIDreturn——PID反饋值 　　‘＊＊DeltaPIDpre_1——PID偏差前值 　　‘＊＊DeltaPIDpre_2——PID偏差前前值 　　Dim PIDout As Single ‘＊＊PID輸出值＊＊ 　　Dim DeltaPID As Single ‘＊＊PID偏差值,為中間變量＊＊ 　　DeltaPID = PIDset - PIDreturn 　　PIDout = P ＊ （DeltaPID - DeltaPIDpre_1） + I ＊ DeltaPID + D ＊ （DeltaPID - 2 ＊ DeltaPIDpre_1 + DeltaPIDpre_2） 　　DeltaPIDpre_2 = DeltaPIDpre_1 　　DeltaPIDpre_1 = DeltaPID 　　End Function 　　要對輸入的控制量進行PID調節(jié)，只需簡單的調用上述函數(shù)即可。 　　例如，在對電堆的輸入溫度進行控制時，調用上述函數(shù)過程如下： 　　Private Sub MSComm1_OnComm（） ‘＊＊＊＊＊＊＊數(shù)據(jù)接收＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ 　　Dim Mid As Single 　　Mid = Format（Round（（buf1（5） ＊ 256 + buf1（4） - 4095 / 5） ＊ 125 / 4095, 2）, "0.0"） ‘＊＊＊＊＊輸入電堆溫度＊＊＊＊＊ 　　Text1.Text = Mid + PID（outTP, outTI, outTD, outTPIDset, outTPIDreturn, outTDeltaPIDpre_1, outTDeltaPIDpre_2） 　　‘＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊outTP——溫度P, outTI——溫度I, outTD——溫度D, outTPIDset——溫度設定, outTPIDreturn——溫度, outTDeltaPIDpre_1——溫度前值, outTDeltaPIDpre_2——溫度后值 　　End Sub 3 數(shù)據(jù)存儲程序設計 　　VB語言提供了多種操縱數(shù)據(jù)庫的方法，使用Ado Data控件訪問數(shù)據(jù)庫就是一種很常用的操縱方法。通過設置和操縱其屬性就可以實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的連接，通過綁定數(shù)據(jù)感知控件就能提供一個訪問數(shù)據(jù)庫的界面，用來對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的瀏覽，添加，刪除，修改等操作。整個過程實現(xiàn)和操作起來非常簡單方便。具體連接步驟如下： 　　（1）建立Access數(shù)據(jù)庫 　　（2）引用Ado Data控件和數(shù)據(jù)感知控件DataGrid 　　（3）分別設置Ado Data控件的ConnectionString、CommandType、RecordSource三個重要的屬性以及DataGrid控件的DataSource屬性 　　在設置Ado Data控件的ConnectionString屬性的最后，將出現(xiàn)“測試連接”的按扭，通過單擊此按扭可以清楚的了解到數(shù)據(jù)庫連接成功與否，非常簡單方便。具體程序的編寫格式為： 　　數(shù)據(jù)庫畫面名稱.Adodc1.Recordset.AddNew 　　數(shù)據(jù)庫畫面名稱.Adodc1.Recordset.Fields（"日期"） = Date 　　數(shù)據(jù)庫畫面名稱.Adodc1.Recordset.Fields（"時間"） = Format（Now, "h:mm:ss"） 　　數(shù)據(jù)庫畫面名稱.Adodc1.Recordset.Fields（"參數(shù)名稱"） =接收到的參量數(shù)據(jù) 　　數(shù)據(jù)庫畫面名稱.Adodc1.Recordset.Update 　　數(shù)據(jù)庫的設計需要特別注意的是： 　　1.在Access數(shù)據(jù)庫定義的各個參數(shù)的名稱、類型、出現(xiàn)的順序以及格式都必須與代碼中的“參數(shù)名稱“完全一致。 　　2.設置Ado Data控件的ConnectionString屬性的時候，必須選擇正確的數(shù)據(jù)庫所在路徑。 4 結束語 　　現(xiàn)場調試表明，該車載監(jiān)控系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定工作，并且抗干擾能力較強，能方便有效地監(jiān)控現(xiàn)場的各種實驗數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)庫管理操作也具有極大的靈活性和控制力。 本文作者創(chuàng)新點: 　　1. VB中PID控制算法的實現(xiàn)，以調整電堆溫度、壓力、水位等各種監(jiān)控參數(shù); 　　2. 基于VB的串口通信技術在燃料電池車載監(jiān)控系統(tǒng)中的應用。 參考文獻 　　【1】 冀常鵬，包劍 基于CANBUS的汽車發(fā)動機控制器研究 技術 2005 　　【2】 王文東，陳實，吳鋒　溫度、壓力和濕度對質子交換膜燃料電池性能的影響 能源研究與信息 Vol.19 No.1 2003 　　【3】 張永宏，胡德金 基于Visual Basic的串行通信技術在自動化監(jiān)控系統(tǒng)中的應用 組合機床與自動化加工技術 2003年第10期 　　【4】 夏臨閩，胡仁杰 串行通信中數(shù)據(jù)正確性的保證 電子工程師2000年第11期 　　【5】 宋娟，羅志平，全書海 基于PID算法的燃料電池實驗室組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng) 微計算機信息 2006年第22卷第1—1期第28頁