针对120kW 级氢燃料电池发动机监测需求，基于 LabVIEW 平台打造集 CAN 通信、数据解析、图形化显示、阈值报警于一体的上位机系统。通过模块化设计实现发动机多管路关键参数实时采集、可视化呈现与异常预警，解决了调试过程中参数监控复杂、故障定位困难等问题，显著提升了氢燃料电池发动机调试的安全性与效率，为氢能装备的推广应用提供了可靠的技术支撑。
传统氢燃料电池监控多依赖人工巡检或单一参数监测设备，存在三大痛点：一是参数监测不全面，难以覆盖空气路、氢气路、冷却路等多系统的压力、温度、流量等关键指标；二是数据呈现碎片化，缺乏统一可视化界面，技术人员难以快速判断系统整体状态；三是故障响应滞后，无法实时预警异常参数，易导致故障扩大化。因此，研发一套高效、全面、智能的上位机监控系统，成为突破行业发展瓶颈的关键。
本系统基于 LabVIEW 的图形化编程优势，实现了从数据采集到故障预警的全流程自动化管理。其核心价值体现在：一是保障运行安全，通过实时监测氢泄漏、超温、超压等风险点，提前规避安全隐患；二是提升调试效率，直观呈现 100 余节单体电池电压及多管路参数，助力技术人员快速定位故障；三是支撑数据追溯，自动存储历史数据并支持 Excel 导出，为后续优化设计提供数据支撑；四是具备高扩展性，可适配不同功率等级氢燃料电池发动机的监控需求。
系统总体设计
（一）设计目标
- 全面覆盖发动机关键参数，实现空气路、氢气路、冷却路等系统的 20 余项核心指标实时监测；
- 数据更新延迟≤100ms，确保参数监测的实时性；
- 支持自定义阈值设置，异常参数触发 LED 闪烁预警，响应时间≤300ms；
- 以直方图、数值表等多种形式可视化呈现数据，单体电池电压区分显示精度达 0.01V；
- 具备数据存储、导出、历史查询功能，支持连续 72 小时无间断数据记录；
- 兼容主流 CAN 卡型号，通信波特率可在 125kbps-1Mbps 范围内灵活配置。
（二）硬件架构
系统硬件由氢燃料电池发动机、CAN 总线模块、上位机终端三部分组成：
- 氢燃料电池发动机：120kW 级 PEMFC 发动机，包含空气路（空压机、流量计、背压阀等）、氢气路（中压阀、循环泵、排氢电磁阀等）、冷却路（水泵、PTC 加热器、风扇等），配备 30 余组传感器（温度、压力、流量、湿度传感器等）及 154 节单体电池；
- CAN 总线模块：采用周立功 CAN 卡，支持双通道通信，具备抗干扰能力强、传输稳定等特点，负责发动机与上位机的数据交互；
- 上位机终端：工业级计算机（CPU≥i5、内存≥8GB、硬盘≥500GB），安装 LabVIEW 2022 及数据采集驱动软件，保障系统流畅运行。
（三）软件架构
基于 LabVIEW 的虚拟仪器（VI）技术，构建四大核心模块，各模块功能独立且协同工作：
| 模块名称 | 核心功能 | 关键技术 |
|---|---|---|
| CAN 通信模块 | 建立上位机与发动机的通信链路，实现数据接收与指令发送 | OPEN DEVICE、INIT SER_I 等子 VI，波特率自适应配置 |
| 数据解析模块 | 解析 CAN 总线传输的帧数据，转换为直观参数 | 帧 ID 识别、位拼接运算、偏移系数校准 |
| 图形显示模块 | 多形式呈现参数，包括数值表、直方图、波形图 | 数组处理、颜色区分显示、界面区域化布局 |
| 阈值报警模块 | 监测参数是否超限，触发声光预警并记录故障 | 阈值自定义设置、LED 闪烁控制、故障日志存储 |
核心模块设计
（一） CAN 通信模块设计
- 通信参数配置：支持手动选择 CAN 卡型号（如 USBCAN-II）、通信通道（1-2 通道可选）、波特率（默认 500kbps，支持 125kbps、250kbps、1Mbps 自定义），通过下拉菜单实现快速配置，配置完成后自动校验参数合法性；
- 通信链路建立：调用周立功提供的子 VI 构建通信流程，先通过 OPEN DEVICE 子 VI 获取设备句柄，再经 INIT SER_I 子 VI 初始化通信参数，最后通过 START 子 VI 启动通信链路，启动过程中实时检测通信状态，若连接失败则弹出错误提示并记录故障原因；
- 数据传输机制：采用主从通信模式，上位机作为主设备周期性发送数据请求指令（周期 100ms），发动机作为从设备响应指令并上传参数数据，数据传输采用标准 CAN 帧格式，验收码设为 0x00000000，屏蔽码设为 0xFFFFFFFF，确保数据全量接收。
（二）数据解析模块设计
- 数据解析流程：第一步识别帧 ID，从 CAN 总线数据中筛选出发动机各系统对应的帧信息（如空气路参数帧 ID 为 0x101，氢气路参数帧 ID 为 0x102）；第二步提取数据段，通过索引定位关键参数的存储位（如空压机温度存储在帧数据的第 3-4 字节）；第三步位运算处理，对多字节存储的参数进行拼接运算（如 16 位参数的高 8 位与低 8 位组合）；第四步校准转换，根据零部件厂家提供的协议，对原始数据进行偏移系数计算（如温度参数校准公式：实际温度 = 原始数据 ×0.1-20），最终得到直观的物理量参数；
- 解析精度保障：建立参数解析校验机制，对解析后的参数进行范围校验（如温度参数合理范围为 - 40℃-120℃），若超出合理范围则标记为异常数据，避免无效数据影响监控结果；
- 多协议兼容：支持自定义通信协议配置，通过导入协议文件（.txt 格式），可适配不同型号发动机的 CAN 通信协议，提升系统通用性。
（三）图形显示模块设计
- 区域化数值显示：将界面划分为空气路、氢气路、冷却路、单体电池四大区域，每个区域以数值表形式显示关键参数，包括空压机转速（单位：rpm）、氢气压力（单位：MPa）、冷却液温度（单位：℃）、单体电池电压（单位：V）等，参数更新实时同步，数值保留两位小数；
- 单体电压直方图显示：针对 154 节单体电池，以直方图形式呈现电压分布，每 9 节电池采用一种颜色区分（如 1-9 节蓝色、10-18 节绿色等），同时设置电压上下限（上限默认 0.85V，下限默认 0.6V，支持自定义调整），电压高于上限显示绿色、介于上下限之间显示橙色、低于下限显示红色，直观反映单体电池健康状态，防止反极故障；
- 趋势波形图显示：支持用户选择任意参数（如电堆电压、冷却液流量）查看历史趋势，波形图可设置时间跨度（1 分钟 - 24 小时可选），支持缩放、平移操作，便于分析参数变化规律；
- 系统状态总览区：在界面顶部显示系统通信状态（正常 / 异常）、运行时长、当前故障数量等关键信息，采用指示灯颜色区分状态（绿色为正常，红色为异常）。
（四）阈值报警模块设计
- 阈值设置功能：支持用户对每个关键参数设置独立阈值（如控制器温度上限 55℃、氢气泄漏浓度阈值 1000ppm），阈值范围根据参数特性预设默认值，同时允许手动修改并保存配置，下次启动系统自动加载；
- 预警触发机制：当参数达到阈值时，触发三重预警：一是对应参数旁的 LED 指示灯以 300ms 间隔闪烁（红色）；二是系统弹出报警弹窗，显示故障参数名称、当前值、阈值及故障发生时间；三是启动蜂鸣器报警（音量可调节，支持手动关闭）；
- 故障记录与查询：自动记录故障信息，包括故障时间、故障参数、故障类型（超限 / 通信异常等）、故障持续时间，存储格式为 Excel 文件，支持按时间范围、故障类型查询历史故障，便于技术人员追溯故障原因。
系统功能测试
（一）测试环境搭建
- 硬件连接：将周立功 USBCAN-II 卡接入上位机 USB 接口，通过 CAN 总线线缆连接发动机 CAN 接口，确保接线牢固；
- 软件配置：启动上位机系统，配置 CAN 通信参数（波特率 500kbps、通道 1），加载 120kW 级发动机通信协议，设置各参数阈值（如控制器温度上限 55℃、单体电池电压下限 0.6V）；
- 测试工况：模拟发动机正常运行、部分参数超限、通信中断三种工况，测试系统在不同场景下的功能表现。
（二）测试结果分析
- 实时监测功能：正常运行工况下，系统成功采集 20 余项参数，数据更新延迟≤80ms，数值显示准确，与发动机自带仪表读数误差≤±0.5%，满足实时监控需求；
- 图形显示效果：单体电压直方图颜色区分清晰，趋势波形图流畅无卡顿，界面布局合理，技术人员可快速定位关键参数；
- 报警功能验证：当控制器温度升至 55℃时，系统立即触发 LED 闪烁、弹窗提示及蜂鸣器报警，响应时间≤200ms，故障记录完整；模拟通信中断时，系统及时显示通信异常报警，记录中断时间及恢复时间；
- 稳定性测试：连续 72 小时无间断运行测试中，系统未出现崩溃、数据丢失现象，通信成功率达 99.9%，数据存储完整，满足长时间调试需求。
（三）性能对比优势
与传统监控系统相比，本系统在核心性能上具有显著优势：
| 性能指标 | 本系统 | 传统监控系统 |
|---|---|---|
| 参数监测数量 | 20 余项 | ≤10 项 |
| 数据更新延迟 | ≤80ms | ≥200ms |
| 报警响应时间 | ≤200ms | ≥500ms |
| 数据可视化形式 | 数值表、直方图、波形图 | 仅数值显示 |
| 故障记录功能 | 自动存储、支持查询 | 无或仅简单记录 |
系统扩展性
（一）扩展性设计
- 功能模块扩展：系统采用模块化架构，预留传感器接入接口，可新增氢浓度监测、振动监测等功能模块，通过 LabVIEW 的 VI 复用特性，无需重构整体系统；
- 硬件适配扩展：支持多种 CAN 卡型号（如 NI PCIe-8512、研华 USB-4781），可根据实际需求更换硬件设备，同时兼容不同功率等级（50kW-200kW）的氢燃料电池发动机；
- 通信协议扩展：支持 CAN FD、以太网等通信协议的扩展，通过修改通信模块代码，可适配未来更高传输速率的需求。
（二）应用前景
- 工业调试场景：为氢燃料电池发动机生产厂家提供高效的调试工具，缩短调试周期，降低调试成本，提升产品出厂合格率；
- 运维监控场景：适用于氢燃料电池车辆、分布式发电站等应用场景的运维监测，实时掌握设备运行状态，提前预警故障，延长设备使用寿命；
- 科研实验场景：为高校、科研机构提供氢燃料电池性能测试平台，支持多参数同步采集与数据分析，助力相关技术研发。
