燃料电池作为高效、清洁的电化学发电装置，突破卡诺循环限制，能量转化效率理论可达 90%，且氢氧反应唯一产物为水，配合可再生能源制氢可实现零碳排放，已广泛应用于汽车、船舶等动力领域。其系统由电堆、二次电源、热管理、尾气处理等多模块组成，结构复杂且元器件繁多，对运行状态的全面监测和实时精准控制提出严苛要求。LabVIEW 作为图形化编程软件，具备强大的硬件交互、数据采集与实时控制能力，依托其开发的燃料电池控制系统，可实现多模块状态的同步采集、指令的快速下发及故障的及时预警，适配燃料电池的运行控制需求。

系统整体架构

燃料电池控制系统采用上下位机分布式架构，核心依托 LabVIEW 搭建上位机监控系统，搭配专用燃料电池控制器作为下位机，通过 USBCAN 分析仪完成 CAN 总线与 USB 信号的转换，实现上下位机的高速通信。

上位机运行于工控机，承担状态监测、指令下发、故障报警、数据记录等核心功能；下位机负责与各模块的传感器、执行机构交互，采集温度、压力、电压等底层数据，接收上位机指令并驱动电磁阀、气泵、继电器等执行元件动作。

系统硬件包含 LabVIEW 工控机、USBCAN 分析仪、燃料电池控制器，以及电流 / 电压传感器、压力 / 温度变送器、氢浓度传感器等检测元件，各类执行机构通过 AI/AO/DI/DO 接口与下位机连接，形成 “采集 - 传输 - 处理 - 控制” 的闭环系统。

LabVIEW 核心功能设计

CAN 通信初始化

CAN 总线是系统数据交互的核心，LabVIEW 编写的初始化程序实现 USBCAN 分析仪的设备配置与通道启动，分为设备打开、通道初始化、通道启动三步。首先通过 LabVIEW 的硬件调用函数设置 USBCAN 的设备类型号、设备索引号，执行设备打开操作，失败则触发设备关闭指令；成功则进一步配置 CAN 通道号、波特率、硬件滤波方式及工作模式，参数配置失败同样执行关闭操作；配置成功后启动 CAN 通道，返回值为 1 即完成初始化，通道可正常收发 CAN 总线数据。LabVIEW 的条件结构与循环结构结合，实现初始化过程的逻辑判断与异常处理，保障通信链路的稳定性。

状态数据采集

LabVIEW 通过调用数据接收动态链接库，从 USBCAN 分析仪缓冲区读取 CAN 报文数据，返回数据以数据簇形式存储，包含报文帧 ID、数据长度、报文数据等信息。利用 LabVIEW 的解除捆绑功能拆分数据簇，将报文帧 ID 与条件结构分支选择器关联，根据燃料电池通信协议，在对应分支中将报文数据映射为实际运行参数。

针对下位机传输的拆分、转换后数据，LabVIEW 编写专用数据转换程序，完成整数拼接、布尔数据提取、数据类型变换及标度换算，将原始报文数据转化为直观的保压舱压力、入口温度、电堆单节电压等参数，同时实现电堆单节最高 / 最低电压及对应节数的识别，保障数据采集的准确性。

控制指令下发

依托 LabVIEW 的事件结构实现控制指令的实时下发，当上位机操作面板的指令控件数据发生改变时，事件结构自动触发，完成指令的封装与发送。首先将 LabVIEW 前面板的控制指令输入控件与局部变量连接，将数据类型统一转换为无符号单字节整型；再通过捆绑功能按照 CAN 帧结构，封装报文帧 ID、发送帧类型、数据长度、报文数据；最后通过 LabVIEW 的 CAN 发送函数将指令发送至 CAN 总线，下位机接收后驱动对应执行机构动作。

该功能支持电堆 / DC/DC/ 尾气处理模块的启停控制、DC/DC 输出功率的自动 / 手动调节、气泵转速设定、尾排系统参数配置等，实现燃料电池运行过程的精准控制。

流程逻辑控制

LabVIEW 通过顺序结构与分支结构，编写燃料电池全流程操作逻辑，严格遵循 “启动 - 初始化 - 自检 - 运行 - 停机” 的操作规范。系统启动后先完成 CAN 通信初始化，自检各模块状态信号，正常则依次启动电堆、DC/DC、尾气处理模块；DC/DC 支持自动 / 手动双模式，自动模式根据负载状态自适应调整输出功率，手动模式可通过 LabVIEW 面板手动调节输出电流；当检测到故障或接收到停机指令时，LabVIEW 立即下发指令关闭 DC/DC 及氢氧进气阀，启动氮气吹扫程序，实现系统的安全保护停机。

上位机监控界面

基于 LabVIEW 的前面板设计可视化监控界面，遵循工程师操作习惯，分为重要参数显示区、报警区、控制指令区、系统设置区、分系统显示区五大区域，包含主监控、电堆监控、辅助系统监控、状态监测、故障报警、参数设置六大子界面，通过左侧切换按钮实现快速跳转。

1. 重要参数显示区：采用 LabVIEW 的仪表控件 + 数字显示框，实时显示燃料电池输出电压、电流等核心参数，直观呈现数值变化；

2. 报警区：设置三级报警指示灯，通过 LabVIEW 的布尔指示灯与条件判断实现故障联动，灯亮后可跳转至故障报警界面查看具体故障原因；

3. 控制指令区：布置按钮控件，实现电堆、DC/DC、二次电源的启停、复位等核心操作，指令触发即时响应；

4. 系统设置区：提供尾排、气泵的自动运行参数配置控件，支持转速、启动 / 关闭时间等参数的灵活设定；

5. 分系统显示区：以数值、曲线、指示灯形式，同步展示电堆、热管理、尾气处理、生成物回收等模块的运行状态数据，支持历史数据的实时曲线查看。

程序调试与性能验证

为验证系统可靠性，搭建 LabVIEW 仿真调试平台，采用两台 USBCAN 分析仪，分别连接调试笔记本的两个 USB 串口，CAN1 接口互接，模拟上位机与下位机的通信链路。通过 ECANTools 与 LabVIEW 软件分别调用一台 USBCAN 分析仪，依据燃料电池通信协议逐一验证报文收发、数据解析、指令执行的准确性。

经调试优化，LabVIEW 上位机控制系统实现无发送错误、接收异常的稳定通信，系统响应时间 < 100ms，信号传输延时 < 10ms，满足燃料电池实时控制的要求。针对调试中发现的通信丢包、数据解析偏差等问题，通过优化 LabVIEW 的循环采样频率、增加数据校验环节、完善协议映射逻辑，进一步提升系统的鲁棒性。

LabVIEW 技术优势

1. 图形化编程高效：无需复杂的代码编写，通过拖放控件、连接连线即可实现程序逻辑设计，大幅降低控制系统的开发周期，便于工程师调试与后期功能扩展；

2. 硬件交互能力强：内置丰富的硬件驱动与调用函数，可快速对接 USBCAN、各类传感器及工控设备，实现多设备的统一集成与管理；

3. 实时性与可视化佳：事件结构、循环结构保障指令下发与数据采集的实时性，前面板的多样化控件实现运行状态的可视化展示，工程师可直观掌握系统运行情况；

4. 逻辑与异常处理完善：依托条件结构、分支结构实现复杂的控制逻辑，针对通信故障、参数异常等情况设置专属处理流程，提升系统运行的稳定性；

5. 数据处理与扩展灵活：支持数据簇、数组等多种数据格式，可快速完成数据解析、转换与存储，同时可结合 LabVIEW 的数据分析工具包，实现运行数据的离线分析与建模。

系统应用效果

基于 LabVIEW 开发的燃料电池控制系统，实现了燃料电池全模块、全参数的实时状态监测与精准流程控制，可完成电堆启停、DC/DC 功率调节、尾气处理、故障保护等全流程操作。系统通信稳定，数据传输无错发、漏发现象，故障报警及时，操作界面直观易用，完全适配燃料电池的运行控制需求。

该系统可灵活适配不同规格的燃料电池样机，通过修改 LabVIEW 的通信协议映射与控制逻辑，即可完成功能适配，具备良好的通用性与扩展性，为燃料电池在各类动力领域的工程化应用提供了可靠的控制解决方案。