下面结合附图对本发明的具体实施做进一步说明：
图1所示为燃料电池分布式控制系统结构框图。燃料电池分布式控制系统包含有燃料电 池系统CAN网络和单片电压采集CAN网络。节点可分成主控制器、子控制器和采集节点三类。
主控制器通过一路CAN与整车CAN网络其他节点相连构成整车CAN网络，通过另一路CAN 与供气系统子控制器、水热系统子控制器、电气系统子控制器、温度采集节点以及单片电压 统计节点相连构成燃料电池系统CAN网络。主控制器是为了完成繁重的运算、管理任务、故 障诊断以及与整车CAN网络的通讯等，因此采用运算能力较强的32位单片机。
子控制器完成与大量传感器、执行器的连接以及闭环控制任务，其运算能力要求不高， 但是输入输出通道数众多，因此采用围绕I/O资源丰富的C8051F040设计的8位数字核心。 子控制器的设置需要考虑燃料电池系统CAN网络节点分布的原则，以为尽量降低总线负载， 减小节点间耦合程度，一般可对燃料电池各个子系统单独配备子控制器，燃料电池包含的子 系统有：空气系统、氢气系统、水热系统和电气系统；二为使接线简单，节点应和与其相连 的相应的传感器、执行器尽量接近；原则三是功能相近的环节可集中安排在同一个节点内。 由于氢气系统和空气系统相互之间控制耦合较大，为提高控制安全性和降低网络负载，将氢 气子系统和空气子系统的控制合二为一，辟出供气子节点，这样就得到了供气系统子控制器、 水热系统子控制器和电气系统子控制器。
采集节点用于对需要集中采集的信号进行处理，并提供给主控制器和子控制器。采集节 点主要包括温度采集节点和单片电压统计节点。
温度采集比较常用的传感器为热电阻Pt100，Pt100信号一般需要用专门的变送器处理后 才能被AD采集模块直接采集，为了省去变送器，同时也为了节约控制器资源，可对Pt100信 号进行统一处理，因此按功能集中原则辟出温度采集节点，温度采集节点在对Pt100信号进 行集中处理和采集后直接将多路温度数值送上CAN总线。
单片电压采集CAN网络，车用燃料电池电堆单片电池数众多，一般在几百片甚至上千片。 因而单片电压信号也需要集中处理。考虑到燃料电池系统CAN网络总线负载和主控制器的负 担，不可能将每一片单片电压信号都反馈回主控制器，因此专门设立统计节点对所有单片信 号进行统计后再送往主控制器，这样就引入了单片电压统计节点。单片电压采集单板采集的 信号经单片电压采集CAN网络传送给单片电压统计节点，单片电压统计节点对所有单片电压 信号进行统计后将统计结果经燃料电池系统CAN网络送回主控制器。单片电压统计节点和采 集单板构成单片电压采集子系统，单片电压采集子系统可作为燃料电池系统CAN网络的一个 采集节点。单片电压统计节点也拥有双CAN，一路用于连接至上述的燃料电池系统CAN网络， 另一路CAN与若干单片电压采集单板的CAN相连构成单片电压采集CAN网络，其运算量较大， 且需要作为网桥，因此也基于运算能力较强且具有双CAN的32位数字核心，可直接运用实用 新型专利“新型动力车用控制器通用子板”(公开号CN2681952Y，授权公告日2005年3月 2日)涉及的MC68376数字核心子板。单片电压采集单板的数目根据所面向的车用燃料电池 的单片数而定，设为n块。
图2所示为主控制器硬件结构框图。主控制器为双板复合接插结构，由MC68376数字核 心子板和主控制器母板接插组成。图中1，2，3，4，5代表MC68376数字核心子板的输入/ 输出信号。主控制器母板由CAN滤波电路、数字量输入扩展电路、数字量输出扩展电路、AD 转换电路、DA转换电路、电压-电流转换电路构成。见图4(a)、(b)所示的接插件原理图， MC68376数字核心子板与CAN滤波电路通过CANAL、CANAH、CANBL以及CANBH相连；MC68376 数字核心子板与数字量输入扩展电路通过数字量输入端口DIN1～DIN8相连；MC68376数字核 心子板与数字量输出扩展电路通过数字量输出端口DOUT1～DOUT8相连；MC68376数字核心子 板与AD转换电路通过模拟量输入端口AIN1～AIN8相连；MC68376数字核心子板与DA转换电 路通过SPI端口MOSI、SCK以及PCS0～PCS2相连；DA转换电路与电压-电流转换电路通过DA 转换电路的电压量输出端口AO1～AO4相连(结合图9)。由此可见，主控制器设计有模拟量输 入、数字量输入、数字量输出各8路，模拟量输出4路。通道数有一定设计富裕，可作为分 布式控制系统备用。图2中，与主控制器相连的数字量传感器主要为系统内各种命令开关； 与主控制器相连的感性负载主要为供气子系统的开关阀以及系统强电输出的接触器；与主控 制器相连的模拟量传感器提供与系统安全相关密切相关的信号，例如氢气浓度传感器；目前 在系统应用中尚不需要用到主控制器的模拟量输出。
图3所示为子控制器硬件结构框图。子控制器的结构与主控制器相似，但采用的是单板 结构，而不是复合接插结构，并且子控制器、供气系统子控制器、水热系统子控制器以及电 气系统子控制器的硬件设计完全相同。子控制器由C8051F040数字核心、CAN接口滤波电路、 数字量输入扩展电路、数字量输出扩展电路、AD转换电路、电压-电流转换电路构成。图中 1，2，3，4，5代表C8051F040数字核心的输入/输出信号。C8051F040数字核心电路与CAN 接口滤波电路通过单片机C8051F040的CAN控制器收发引脚CANTX和CANRX相连；C8051F040 数字核心电路与数字量输入扩展电路通过数字量输入端口DIN1～DIN12相连；C8051F040数字 核心电路与数字量输出扩展电路通过数字量输出端口DOUT1～DOUT12相连；C8051F040数字核 心电路与AD转换电路通过模拟量输入端口AIN1～AIN8相连；C8051F040数字核心电路与电压 -电流转换电路通过单片机C8051F040的模拟量输出引脚AO1和AO2相连。与子控制器相连 的数字量传感器主要为水位传感器、温度开关和压力开关；与子控制器相连的感性负载主要 为控制水路和气路通断的电磁阀以及电气系统中的接触器；与子控制器相连的模拟量传感器 主要为各种压力传感器；与子控制器相连的DC/DC和变频器主要用于控制水泵、冷却风扇等。 子控制器包括供气系统子控制器、水热系统子控制器和电气系统子控制器，各个子控制器仅 连接其对应的子系统(供气系统、水热系统和电气系统)涉及的传感器、感性负载、DC/DC 及变频器。
图4所示为主控制器母板接插件电路和MC68376数字核心子板接插件电路原理图。 MC68376数字核心子板设计有4组标准40针双排接插件SI1～SI4，将数字核心的资源连接至 接插件，以方便MC68376数字核心子板与母板的插接。因此，为了利用MC68376数字核心子 板的资源，在主控制器母板上也设计了4组同名的40针双排接插件SI1～SI4。当MC68376 数字核心子板与主控制器母板复合接插时，其连接关系为：MC68376数字核心子板上任一40 针双排接插件的任一引脚将与主控制器母板的同名40针双排接插件的同序号引脚相连。例 如：MC68376数字核心子板上SI1插针的20引脚为TP15(TP15是单片机MC68376的TPU模 块的15号通用I/O口)，而主控制器母板上SI1插针的20引脚为DOUT1，那么，TP15将与 DOUT1直接相连。
图5所示为子控制器电路原理图，子控制器采用C8051F040数字核心电路，C8051F040 数字核心电路图由单片机C8051F040、外部存储器扩展模块、外部晶振模块、走马灯指示模 块、外部电压基准配置模块、复位电路、JTAG编程接口、EEPROM外部存储模块组成。外部存 储器扩展模块由锁存器74LV373和RAM芯片HY628100B组成，两个芯片之间以及它们与单 片机C8051F040的连接方式为：C8051F040的低八位数据线-地址线复用线与74LV373的输入 端以及HY628100B的数据线引脚相连；74LV373输出端和C8051F040的高八位数据线分别 与HY628100B的低八位和高八位地址线相连；为保持复用方式扩展的正确时序，C8051F040 的锁存器使能控制引脚ALE与74LV373的使能端ALE相连，其/WR和RD引脚分别与 HY628100B的写使能和读使能引脚相连。外部晶振模块由外部晶振Crystal、电阻RCRY以 及电容C11和C12组成，外部晶振模块与单片机C8051F040通过外部晶振引脚XTAL1和 XTAL2相连。走马灯指示模块由8个电阻RLED1～RLED8和8个发光二极管H1～H8组成， 走马灯指示模块与单片机C8051F040通过8个数字两端口LED1～LED8相连。LED1～LED8 端口实质为C8051F0405号端口P5.0～P5.7。外部电压基准配置模块由基准电压源芯片REF03、 电容C1～C4以及跳线JP1组成，外部电压基准配置模块与单片机C8051F040通过外部电压基 准源引脚VREF_use相连。模拟量输入和输出电压基准可采用内部基准或外部基准，内部基 准由软件配置，经VREF引脚输出，外部基准基于REF03实现。REF03的2脚与4脚之间输入 经当地10μF钽电容和0.1μF瓷片电容滤波的5V，输出2.5V电压基准。电压基准的选择由 跳线JP1实现。C8051F040的VREFD、VREF0和VREF2引脚分别为模拟量输出、12位模拟 量输入和8位模拟量输入模块。复位电路由复位开关Reset、电阻RRT1和RRT2以及电容 C5和C6组成，复位电路与单片机通过复位引脚RST相连。JTAG编程接口为标准10针双排 接插件JTAG，JTAG编程接口与单片机C8051F040通过TMS、TDO、TDI和TCK相连，TMS、TDO、 TDI和TCK分别为JTAG编程接口的JTAG测试模式选择线，测试数据输出线、测试数据输入 线和测试时钟线。EEPROM外部存储模块即为EEPROM芯片AT25256，EEPROM扩展电路与单 片机C8051F040的连接方式为：C8051F040的SPI模块的NSS、MOSI、MISO和GND引脚 分别与AT25256的/CS、SO、/WP和GND引脚相连，分别为片选线、主模块数据输出线、 从模块数据输出线和信号地。结合图3，单片机C8051F040的端口P3.0～P3.3和AIN0.0～P0.3 被配置为8个12位模拟量输入引脚：AIN1～AIN8，与A/D转换电路输出端相连；单片机 C8051F040的端口P1.0～P1.7和P4.1～P4.4被配置为12个数字量输入引脚：DIN1～DIN12， 与数字量输入扩展电路的输出端相连；单片机C8051F040的端口P2.0～P2.7和P3.4～P3.7被 配置为12个数字量输出引脚：DOUT1～DOUT12，与数字量输出扩展电路相连的输入端；单片机 C8051F040的端口DAC0～DAC1是模拟量输出(电压量)端口，被标为模拟量输出引脚：AO1～AO2， 与电压-电流转换电路的输入端相连。
温度采集节点可使用基于CAN总线的多路温度采集装置，例如科日新工控有限公司的 K7411温度采集装置，该装置能够采集多路温度，并将数据通过CAN总线输入主控制器。具 体结构和使用指标可参见该装置的使用手册，这里不在赘述。
单片电压统计节点由于运算量较大，且需要作为网桥，因此也基于运算能力较强且具有 双CAN的32位数字核心，也拥有双CAN，一路用于连接至上述的燃料电池系统CAN网络，另 一路CAN与若干单片电压采集单板的CAN相连构成单片电压采集CAN网络，因此也采用 MC68376数字核心子板。
图6为单片电压采集单板的电路原理框图，单片电压采集单板的数目根据所面向的车用 燃料电池的单片数而定。本发明采用发明专利申请公开的“一种车用燃料电池堆单片电压监 测装置”(公开号CN1564011A，公开日2005年1月12日)，该装置可在50ms内完成59路 单片电压采集，并可实现一路CAN通讯，将其用作单片电压采集单板，应用多个这样的单片 电压采集单板并行工作可实现采集更多路数的单片电压。
主控制器和子控制器中的子模块是相同的结构，下面分别进行介绍。
图7所示为AD转换电路图。图中AI1为模拟量传感器信号输入，AIN1为单片机模拟量 输入引脚，从AI1到AIN1要经过AD转换电路的处理。RAI1为电流采样电阻，其一端可通过 拨片开关JP1选择是否与隔离后地相连，若模拟量传感器为电流型，则相连，若模拟量传感 器为电压型，则不相连。为了保证电磁兼容性，控制器与模拟量传感器除了传感器信号输入 线以外还以信号回流线AI1_HL相连，按模拟量传感器种类不同，AI1_HL可能是隔离后24V， 也可能是隔离后地，可通过对跳线JP21的配置实现兼容。运放LM224与电阻RAI11、CAI1组 成有源滤波模块。DAI11和DAI21为齐纳二极管，用于过压保护。需要指出的是，主控制器 和子控制器均设计有8路AD输入，8路AD转换电路在器件连接和器件参数上完全相同，图6 所示仅为一路AD转换电路图，其他7路不同之处仅在于：器件和网络标号的尾标不一样，例 如模拟量传感器信号输入的网络标号和单片机模拟量输入引脚网络标号应为AI2～AI8和 AIN2～AIN8。
图8所示为数字量输入扩展电路图。图中DI1为数字量传感器信号输入，DIN1为单片机 数字量输入引脚。网络标号Power24+代表隔离前24V，也是数字量传感器的供电电压。RDI11、 RDI21以及低速光隔TLP121的输入端发光二极管构成数字量传感器的集电极负载，也是数字 量输入扩展电路的隔离前部分。低速光隔TLP121实现对数字量输入的隔离，数字量输入扩展 电路隔离后由四部分组成：RDI31和CDI21构成的一级低通阻容滤波、芯片74HC14的一个反 向施密特通道，RDI51和CDI31构成的二级低通阻容滤波以及由发光二极管HDI1和电阻RDI41 构成的数字量输入指示灯。主控制器设计有8路数字量输入，子控制器设计有12路数字量输 入，两种控制器的所有各路数字量输入扩展电路完全相同。不同仅在于器件和网络标号的尾 标，例如模拟量传感器，例如子控制器的其他11路数字量输入扩展电路的数字量传感器信号 输入网络标号为DI2～DI12，单片机数字量输入引脚为DIN2～DIN12。
图9所示为DA转换电路图。MC68376数字核心子板没有数模转换模块，因此为实现主控 制器的模拟量输出，需要外扩独立数模转换器。选用的芯片是DAC7614。MC68376以QSM模块 中的SPI实现与DAC7614的连接与控制。SPI的PCS0、PCS1和PCS2用作DAC7614的片选信 号、复位信号和转换触发信号，并以软件编程实现DAC7614需要的工作时序(详见DAC7614 器件手册)。MOSI为DAC7614的16位串行信号输入，最高两位为模拟两输出通道选择，低12 位为转换数据。数字信号地和模拟信号地没有隔离，但以磁珠CAPW1单点接地。AO1～AO4为 四个模拟量(电压量)输出通道。电感LPW3、电解电容Chd6和瓷片电容Cx9构成了DAC7614 的供电滤波网络。C8051F040片内集成了数模转换模块，因此C8051F040可以通过管脚AO1 (DAC0)和AO2(DAC1)直接输出模拟量(电压量)。
图10所示为电压-电流转换电路图。采用的芯片为AD694。将模拟量输出从电压量转变 为电流量可以改善电磁兼容性，增大模拟量输出的适用范围。AO1为电压量输入，经过一阶 阻容低通滤波进入AD694入口运放的同向输入端+SIG，其反向输入端与反馈端FB相连以构成 电压跟随器，提高电压量的驱动能力。4脚、9脚均与5脚(地)相连从而将输入和输出分别 配置在0～2V和4～20mA，且为线性对应关系。13脚与14脚间的0.1μF的瓷片电容将AD694 的带宽配置在1.768kHz。输出端以磁珠和电容构成3级L-T-L感容滤波，并配有限流电阻 RAO21和防过压的齐纳二极管DAO11和DAO21。
图11所示为数字量输出扩展电路图。在燃料电池系统中需要以数字量驱动的感性负载主 要有接触器、继电器和电磁阀。运用了集成低边驱动器TLE6228，每片TLE6228拥有4个驱 动通道TSL1～TSL4，主控制器的数字量输出扩展电路包括两片TLE6228，因此主控制器可实现 8路数字量输出；子控制器的数字量输出扩展电路包括3片TLE6228，因此子控制器可实现 12路数字量输出。图10所示的是一片TLE6228，四路数字量输出。图中的四路单片机数字量 输出端口为DOUT1～DOUT4，感性负载驱动端口为DO11～DO4。以图中第一路数字量输出为例， DOUT1为单片机数字量输出端口，与板上5V电源VCC之间串接电阻RDO11和低速光隔TLP121 的输入端发光二极管，数字核心端口被配置为漏极开路输出方式，能够降低芯片功耗，并且 能够实现对3.3V(C8051F040)和5V(MC68376)两种单片机电平的兼容。TLP121输出端的 射极接低边MOS驱动器TSL1，这样单片机数字核心端口低电平对应MOS管导通，这是因为考 虑到上电瞬间单片机管脚状态为高，采用这样的配置可以保证被驱动的执行器在系统上电时 处于常态。MOS_VCC隔离前5V。TLE6228以隔离前5V供电，实现与单片机系统的隔离，提高 了电磁兼容性。ZSL1为齐纳二极管，保护MOS管门极。
主控制器中，MC68376数字核心子板已经集成了CAN收发器和CAN隔离电路，因此主控 制器母板上只需要设计CAN滤波电路即可。子控制器应用的单片机C8051F040也集成了片内 CAN控制器，片外除了CAN滤波外还要有CAN接口电路。CAN滤波电路和CAN接口滤波电路都 是燃料电池CAN网络中常用的公知电路，这里仅作简单介绍。CAN接口电路包括对C8051F040 的CAN收发信号进行隔离的高速光隔6N137和将隔离后的CAN收发信号处理为CAN网络差分 信号的CAN收发器82C250。高速光隔6N137和CAN收发器82C250电路均为标准配置，可参 看其器件手册。CAN滤波电路以共模电感与滤波电容连接构成标准共模滤波网络。LM2576及 滤波电路选用的核心芯片是5V版本的LM2576-5.0，AS1117及滤波电路选用的核心芯片是3.3V 版本的AS1117-3.3。其滤波电路的构成方式为标准电路，均可参看其期间手册。π型感容滤 波是以普通电感和瓷片电容构成的标准π型感容滤波。
所述各节点间的相互配合模式是：主控制器根据子控制器和采集节点信息反馈以及整车 网络传来的驾驶员意图进行故障诊断，决定系统工作模式及控制目标，各子控制器严格工作 在主控制器决定的系统工作模式并运用当地算法将相应控制量维持在控制目标。比较繁重的 算法在主控制器得到执行，大部分传感器、执行器与拥有丰富I/O资源的子控制器连接，少 量关键传感器与执行器可与主控制器实现。子控制器对当地控制量按跟随主控制器控制目标 方式进行调整的算法为闭环，即相应的信号采集、执行算法和按算法结果驱动执行器均在当 地完成，既保证了各节点间相互依赖程度的降低，又减小了总线负载。
本发明通过合理选择32位数字核心和8位数字核心兼顾了功能、效率和成本；通过对各 控制节点大量运用公共硬件技术平台大大简化了硬件设计；各子控制器实现的当地闭环控制 减小了总线负载，降低了节点间耦合程度，提高了系统结构清晰度和安全性，也适当降低了 接线复杂性。采集节点的引入进一步降低了接线复杂性和控制节点的负担。
与现有技术比较，本发明与传感器、执行器接线简单，电磁兼容性好，适合模块化开发， 系统升级和修改方便，成本较低，控制结构清晰，非常适用于燃料电池系统的研发和满足燃 料电池发展的需求。