汪陽雄，張向文

WANG Yangxiong,ZHANG Xiangwen

桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動化學(xué)院，廣西 桂林 541004

School of Electronic Engineering andAutomation,Guilin University of ElectronicTechnology,Guilin,Guangxi 541004,China

1　引言

在環(huán)境污染和能源危機(jī)日益嚴(yán)重的今天，純電動汽車無疑是最理想的新型交通工具[1]。但是，由于電池技術(shù)的限制，電動汽車的推廣與應(yīng)用顯得十分困難。目前純電動汽車動力電池關(guān)鍵的技術(shù)障礙在于電池性能與管理技術(shù)，其中，電池狀態(tài)的監(jiān)測與故障診斷，電池狀態(tài)信息的傳輸與遠(yuǎn)程監(jiān)控，電池充放電的管理等都是純電動汽車電池管理的關(guān)鍵技術(shù)[2-6]。

電池管理系統(tǒng)上位機(jī)模塊是電池管理的重要組成部分，目前的上位機(jī)模塊功能都比較簡單，通過液晶屏顯示的信息比較少。主流的上位機(jī)觸摸屏主要采用并口觸摸顯示屏[7]，但是并口顯示屏的外部接口多，物理連接繁瑣，數(shù)據(jù)傳輸是八位同步傳輸，只要一位傳輸錯誤，全部重新傳輸，顯示界面設(shè)置也相對復(fù)雜[8]。蔣曉峰等[9]基于施耐德XBTGT系列觸摸屏采用工業(yè)以太網(wǎng)Modbus TCP/IP方式，其顯示屏驅(qū)動及配置較為復(fù)雜。齊繼陽等[10]的觸摸屏采用多功能面板MP277，配置Windows CE V3.0操作系統(tǒng)，沒有內(nèi)部存儲單元，界面刷新速度慢。顧波飛等[11]的觸摸屏LEVI 777T基于Modbus協(xié)議，其界面制作僅有單一的控件與文本添加，顯示效果不理想。黃松濤等[12]的并口液晶屏需要全部程序化控制，沒有相應(yīng)控件的界面制作。隨著純電動汽車動力電池管理上位機(jī)功能的增加，上位機(jī)顯示屏需要顯示的內(nèi)容逐漸增加，原來的并口觸摸屏界面設(shè)計逐漸復(fù)雜。另外，為了將電池狀態(tài)信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控終端和其他車載控制單元，需要考慮傳輸信息的安全性和可靠性。

圖1　上位機(jī)設(shè)計整體框架圖

為了能直觀反映電池的各種參數(shù)（電壓、溫度、電流、電荷狀態(tài)（State of Charge，SOC））和故障診斷，并且設(shè)置相關(guān)閾值來控制電池檢測，本文基于飛思卡爾K60主控制器設(shè)計了一種HMI（Human Machine Interface），利用CAN總線通信和串口通信實現(xiàn)上位機(jī)和BMS（Battery Management System）之間信息的實時交互。采用TJC8048T070_011R串口觸摸屏，實現(xiàn)BMS上位機(jī)豐富的人機(jī)交互功能，簡化人機(jī)交互界面的設(shè)計。

本文首先給出整體方案設(shè)計，然后重點對CAN總線通信和串口HMI通信設(shè)計進(jìn)行介紹，并給出相應(yīng)的實驗結(jié)果，最后，利用實驗室的電池組和BMS下位機(jī)模塊，對設(shè)計的上位機(jī)模塊進(jìn)行整體的實驗測試，驗證了設(shè)計的有效性。

2　整體方案設(shè)計

BMS上位機(jī)模塊的主要功能包括下位機(jī)數(shù)據(jù)的接收與顯示、充放電管理、故障診斷與報警、無線通信和CAN總線通信幾部分，根據(jù)功能要求，本文設(shè)計整體方案如圖1所示，包括主控制器、GPRS無線通訊模塊和HMI觸摸顯示屏，主控制器選用MK60DN512ZVLQ10芯片，該芯片是飛思卡爾32位微控制器，集成了豐富的功能和特性，具有很好的低功耗性能和功能擴(kuò)展性。該芯片集成了CAN控制器，通過外接的CAN收發(fā)器可以搭載在CAN總線，可以實現(xiàn)BMS下位機(jī)模塊以及其他車載電子控制單元與主控制器之間的數(shù)據(jù)交互。

電池狀態(tài)和故障信息的顯示、充放電的管理都是通過HMI觸摸顯示屏實現(xiàn)的，主控制器通過串口與HMI顯示屏之間進(jìn)行信息交互。充放電管理是通過HMI面板控制按鍵實現(xiàn)充放電選擇的，故障診斷與報警是根據(jù)事先設(shè)定好的系統(tǒng)閾值與采集數(shù)據(jù)的比較確定故障并通過蜂鳴器實現(xiàn)報警的。

HMI觸摸顯示屏選用的是基于串口通信的電容式觸摸感應(yīng)顯示屏，在前期將所需顯示內(nèi)容圖片加載與存儲在顯示屏自帶內(nèi)存區(qū)，傳輸過程只需傳輸界面顯示的數(shù)據(jù)部分，這樣在頁面刷新過程中，顯示圖片無需通過串口傳輸就能自動更新，只需更新界面所要顯示參數(shù)，提高頁面刷屏速度，消除視覺上的刷屏延遲現(xiàn)象。

主控制器通過串口與GPRS無線通信模塊相連，進(jìn)行電池狀態(tài)數(shù)據(jù)的無線傳輸[13]，本文采用的是一款擁有GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸功能的低功耗的SIM908模塊作為汽車上位機(jī)終端和遠(yuǎn)端服務(wù)器之間的無線通訊模塊。GPRS網(wǎng)絡(luò)提供UDP和TCP兩種傳輸協(xié)議，UDP協(xié)議無法提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，而TCP協(xié)議則提供的是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信服務(wù)[14]。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，本文選用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行移動終端與服務(wù)器之間的通訊。

3　CAN總線通信設(shè)計及實驗

3.1　CAN總線原理

CAN總線是由以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。由于采用了許多新技術(shù)及獨特的設(shè)計，CAN總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性[15-18]。

本文選用的飛思卡爾K60主控制器上的FlexCAN模塊包含一個CAN控制器，外部添加一個CAN收發(fā)器才能接入CAN總線進(jìn)行通信，F(xiàn)lexCAN模塊支持CAN2.0協(xié)議里的標(biāo)準(zhǔn)幀和拓展幀。本文選用高速收發(fā)器TJA1050，該器件提供了CAN控制器與物理總線之間的接口，以及對CAN總線的差動發(fā)送和接收功能。在CANH和CANL之間連接接入一個120 Ω的電阻用作終端匹配，可以降低傳輸中的出錯率，提高CAN總線傳輸?shù)姆€(wěn)定性[19]。CAN收發(fā)器電路原理如圖2所示。

圖 2　CAN收發(fā)器電路原理圖

CAN總線的物理層采用兩條差分信號線來組成一個數(shù)據(jù)通道。在CAN總線報文傳輸中，幀格式有含11位標(biāo)識符的標(biāo)準(zhǔn)幀和含29位標(biāo)識符的擴(kuò)展幀，本文選用了11位的標(biāo)準(zhǔn)幀格式。幀類型有4種：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤幀和過載幀。數(shù)據(jù)幀是將所傳數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌?，遠(yuǎn)程幀是請求發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)幀，錯誤幀是總線傳輸出現(xiàn)錯誤時發(fā)送的，過載幀是在相鄰數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間傳輸來提供附加延時的。

報文緩沖區(qū)是CAN模塊發(fā)送/接收中最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，報文緩沖區(qū)的組成如圖3所示[19]。

在圖3中，各個字段都有其相應(yīng)的含義。CODM表示報文緩沖區(qū)碼，接收和發(fā)送時報文緩沖區(qū)碼的意義不同，在程序?qū)崿F(xiàn)中，本文通過宏定義進(jìn)行重命名。SRR位只存在于擴(kuò)展格式，用于代替標(biāo)準(zhǔn)格式中的RTR位。IDE位用于區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)格式（邏輯“0”）與擴(kuò)展格式（邏輯“1”）。RTR位用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)幀（邏輯“0”）和遠(yuǎn)程幀（邏輯“1”）。4位的DLC段用于表示報文中數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，從高位開始輸出，可選范圍為0～8。TIME STAMP表示時間戳，開始發(fā)送報文或接收報文時，從自由計時計數(shù)器獲取時間加載到此時間戳段。PRIO字段用于定義發(fā)送優(yōu)先級，只有相應(yīng)寄存器位段置1，且報文緩沖區(qū)為發(fā)送報文緩沖區(qū)時，此字段才有效。Data段即數(shù)據(jù)段，是數(shù)據(jù)的內(nèi)容，由DLC段決定可發(fā)送0～8個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

在CAN協(xié)議中，ID起著重要的作用，決定數(shù)據(jù)幀發(fā)送的優(yōu)先級，也決定其他節(jié)點是否接收該數(shù)據(jù)幀。優(yōu)先級的仲裁是根據(jù)CAN總線的邏輯“線與”特性來實現(xiàn)的，ID從高位開始輸出，ID越低，優(yōu)先級越高。由于CAN總線的數(shù)據(jù)以廣播形式發(fā)送，每個連接到總線的CAN節(jié)點收發(fā)器都能接收到數(shù)據(jù)，因此CAN控制器具有根據(jù)報文ID過濾報文的功能，僅接收某些符合指定ID的報文，過濾不相關(guān)的報文。

本文協(xié)定總線傳輸波特率為1 MB/s，需設(shè)置應(yīng)用層協(xié)議。CAN總線通信雙方都必須約定使用相同的波特率才能進(jìn)行同步、正常通信，CAN協(xié)議的波特率需要考慮位時間和采樣點時間。CAN協(xié)議是把1位的時間分成同步段、傳播時間段、相位緩沖段1和相位緩沖段2，每段的時間都是以時間份額為單位，時間份額是CAN協(xié)議最小的時間單位。本文時鐘源選擇的是BUS時鐘，傳播時間段（PROPSEG）為2，同步跳轉(zhuǎn)寬度（RJW）為2，相位緩沖段1（PSEG1）為2，相位緩沖段2（PSEG2）為2，分頻系數(shù)（PRESDIV）為4，這樣才能保證CAN協(xié)議波特率為1 MB/s。

在飛思卡爾K60主控制器中，CAN模塊一共有16個報文緩沖區(qū)（MB），有全局掩碼寄存器和各個報文緩沖區(qū)獨立的掩碼寄存器。掩碼，也叫屏蔽碼，用于控制相應(yīng)位的ID是否參與過濾匹配。CAN模塊接收報文時，首先接收移位寄存器把報文數(shù)據(jù)移位接收，再由掩碼寄存器根據(jù)ID判斷是否過濾報文，若是需要接收的報文，則最終存儲在指定的報文緩沖區(qū)。

表1是下位機(jī)和主控制器之間通過CAN總線傳輸?shù)闹饕獢?shù)據(jù)內(nèi)容及其相應(yīng)數(shù)據(jù)長度；表2是21種故障診斷的故障等級設(shè)定，不同故障等級會有不同的報警方式及處理方式。

表1　CAN總線傳輸主要數(shù)據(jù)內(nèi)容和長度設(shè)定表

圖3　報文緩沖區(qū)

表2　故障等級設(shè)定表

3.2　CAN總線實驗

將飛思卡爾K60主控制器的CAN收發(fā)器同CAN總線調(diào)試工具進(jìn)行物理層連接，主控制器中的CANH引腳與調(diào)試器的CANH引腳相連，CANL引腳與調(diào)試器的CANL引腳相連，將CAN總線調(diào)試工具的CANR+和CANR-引腳短接，模擬在總線接入的120 Ω電阻用來匹配總線阻抗。經(jīng)過主控制器程序設(shè)置，控制HMI觸摸顯示屏的觸摸熱區(qū)的返回數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送出來，同時，通過CAN總線調(diào)試器發(fā)送相應(yīng)指令能改變顯示器的相應(yīng)參數(shù)。CAN總線調(diào)試工具[20]測試結(jié)果，如圖4所示。

圖4　CAN模塊收發(fā)實驗效果圖

實驗結(jié)果表明CAN模塊能正常發(fā)送和接收，從接收的數(shù)據(jù)可以得出HMI顯示屏所顯示的界面ID、所需設(shè)定參數(shù)的值等信息。通過調(diào)試工具發(fā)送相應(yīng)指令，也能改變HMI顯示屏的相應(yīng)顯示界面。

4　串口HMI通信設(shè)計及實驗

4.1　串口HMI通信原理

本文選用的串口HMI為TJC8048T070_011R串口觸摸屏，其分辨率為800×480，屏幕大小為7.0寸，F(xiàn)LASH存儲器存儲空間為16 MB，運行內(nèi)存為3 584 Byte，串口指令緩存為1 024 Byte。串口HMI是設(shè)備封裝好HMI的底層功能，通過串口（USART 232）與用戶MCU進(jìn)行交互，MCU可以隨時通過USART發(fā)指令通知設(shè)備切換某個頁面或者改變某個組件的屬性。設(shè)備也可以隨時通過USART通知用戶MCU操作者，目前觸摸了頁面上的某個組件或者設(shè)備當(dāng)前進(jìn)入某個頁面。相比于RGB接口和MCU總線接口的顯示屏而言，串口HMI是最簡單的顯示方案，對用戶的硬件沒有任何要求。因為界面的顯示是設(shè)備內(nèi)部自己實現(xiàn)的，提前將所要顯示的界面通過專用制作軟件制作完成，存儲在設(shè)備內(nèi)部，USART只需要傳輸界面顯示的數(shù)據(jù)信息，所以沒有速度瓶頸。界面制作軟件USART HMI，如圖5所示。

圖5　USART HMI軟件界面圖

首先，通過Photoshop圖像制作軟件制作所需顯示與切換界面，主要包括主界面、單體電池界面、總體電池界面、故障報警界面、系統(tǒng)設(shè)置界面（報警時間信息顯示界面、時間設(shè)置界面和3個系統(tǒng)配置界面）和HOME界面等。然后，通過USART HMI界面制作軟件將所需顯示界面整合與設(shè)置按鍵鏈接，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、處理、輸出等功能。數(shù)據(jù)輸入有兩種形式：第一種是觸摸按鍵輸入；第二種是外接串口輸入。觸摸按鍵輸入中，本文設(shè)計了一個觸摸數(shù)字輸入按鍵，通過按鍵輸入整個系統(tǒng)運行的最初設(shè)定值，并且，對于其中的部分?jǐn)?shù)據(jù)都有范圍設(shè)置與輸錯報警；外接串口輸入中，本文在主控制器部分的程序設(shè)計上做出了各個數(shù)據(jù)的顯示對應(yīng)關(guān)系。最后，將HMI模塊的串口輸入與輸出都做了統(tǒng)一規(guī)定，保證其和主控制器的串口數(shù)據(jù)輸入與輸出的格式一致。

在使用界面制作軟件USART HMI時，本文主要應(yīng)用了該軟件工具箱里的文本、數(shù)字、按鈕、進(jìn)度條等。加載進(jìn)顯示屏自帶內(nèi)存的主要界面類型如表3所示。在事件的程序指令中使用了串口HMI指令集里的page、sendme、get、if等，詳細(xì)介紹如表4所示。使用到的系統(tǒng)變量有sys0、sys1、sys2，均為內(nèi)置數(shù)值變量。

表3　加載界面列表

在人機(jī)交互時，每次對觸摸屏的操作都會伴隨著相應(yīng)事件的發(fā)生，這些事件是在該軟件中由程序指令提前定義的。該軟件主要包括4種類型的事件定義：前初始化事件、后初始化事件、按下事件和彈起事件。前初始化事件表示程序指令在所有控件刷新顯示之前執(zhí)行，后初始化事件表示程序指令在所有控件刷新顯示之后執(zhí)行，按下事件表示程序指令在按鍵按下后執(zhí)行，彈起事件則表示在彈起后執(zhí)行。

在頁面切換功能的實現(xiàn)上，本文在按鍵彈起事件中使用了page指令，這樣可以切換到任意界面。在每個界面的前初始化事件中使用了sendme指令，每次切換界面都會第一時間發(fā)送界面ID給串口，這樣主控制器就能檢測到顯示屏所處的界面，從而發(fā)送相應(yīng)界面所需顯示的數(shù)據(jù)給顯示屏。在參數(shù)輸入設(shè)置的數(shù)字鍵盤中使用get指令，能將通過觸摸屏輸入的參數(shù)通過串口發(fā)送到主控制器，進(jìn)而設(shè)定相應(yīng)閾值。

本文設(shè)計的串口HMI設(shè)備輸出數(shù)據(jù)主要有3種格式，如表5所示。

在數(shù)字輸入按鍵的設(shè)計中，本文設(shè)計了輸入錯誤報警提示，這樣可以減少系統(tǒng)在使用過程中的人為操作錯誤，例如，在時間的輸入設(shè)置中，事件輸入數(shù)值嚴(yán)格遵循萬年歷法，輸入錯誤則提示報警退出，致使輸入無效。數(shù)字輸入按鍵及錯誤報警提示界面，如圖6所示。

表5　串口HMI設(shè)備輸出數(shù)據(jù)格式列表

圖6　輸入數(shù)據(jù)錯誤報警提示界面

4.2　串口HMI通信實驗

通過圖像制作軟件得到上位機(jī)主界面、單體電池相關(guān)信息顯示界面、總體電池信息界面、故障診斷界面、系統(tǒng)參數(shù)配置界面以及HOME界面等，如圖7所示。然后在上位機(jī)界面制作軟件中，設(shè)置相應(yīng)按鍵功能實現(xiàn)界面互通和參數(shù)設(shè)置。

通過串口調(diào)試助手觀測HMI顯示屏的串口輸出數(shù)據(jù)，可以得出實際輸出數(shù)據(jù)與理論輸出數(shù)據(jù)一致，輸出數(shù)據(jù)如圖8所示。

5　系統(tǒng)整體實驗

在CAN通信和串口HMI調(diào)試完成后，利用實驗室的ARBIN電池測試系統(tǒng)、磷酸鐵鋰動力電池組、BMS下位機(jī)模塊、設(shè)計的上位機(jī)主控制器、HMI觸摸顯示屏和GPRS模塊進(jìn)行系統(tǒng)的整體實驗測試，驗證系統(tǒng)的可行性。

圖7　上位機(jī)各界面設(shè)計圖

圖8　串口調(diào)試助手測試結(jié)果圖

圖9　系統(tǒng)整理物理連接調(diào)試圖

實驗測試的整體結(jié)構(gòu)如圖9所示，首先通過觸摸屏選擇充電管理，下位機(jī)BMS模塊開啟動力電池組的充電，ARBIN電池充電系統(tǒng)開始對動力電池組進(jìn)行充電，主控制器接收BMS下位機(jī)的電池狀態(tài)信息，通過觸摸顯示屏進(jìn)行顯示，結(jié)果能夠正確地顯示充電過程的電池狀態(tài)變化。然后，通過觸摸屏選擇放電管理，利用ARBIN電池測試系統(tǒng)對電池組進(jìn)行放電，主控制器接收BMS下位機(jī)的電池狀態(tài)信息，通過觸摸屏進(jìn)行顯示，結(jié)果能夠正確反映電池狀態(tài)的變化。另外，通過GPRS模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸，遠(yuǎn)程監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示界面及單體電池電壓監(jiān)測曲線如圖10所示。

圖10　遠(yuǎn)程服務(wù)器接收信息

6　結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于飛思卡爾微控制器的電動汽車動力電池管理系統(tǒng)上位機(jī)模塊，包括飛思卡爾K60主控制器、CAN總線數(shù)據(jù)傳輸模塊、HMI顯示屏串口傳輸模塊和GPRS無線傳輸模塊。主控制器主要用來接收電池狀態(tài)信息，并發(fā)送給HMI顯示屏，同時，將顯示屏發(fā)送來的相應(yīng)指令發(fā)送給BMS下位機(jī)模塊。CAN總線數(shù)據(jù)傳輸模塊實現(xiàn)各BMS下位機(jī)模塊與主控制器的實時雙向數(shù)據(jù)交互，可以將信息傳輸給主控制器，或者接收相應(yīng)執(zhí)行指令。HMI顯示屏串口傳輸模塊實現(xiàn)液晶顯示屏與主控制器的同步全雙工數(shù)據(jù)通信，能將所需顯示的數(shù)據(jù)從控制器傳輸給顯示屏，也能從顯示屏將相應(yīng)指令傳輸給控制器。GPRS無線傳輸模塊實現(xiàn)了電池狀態(tài)信息的遠(yuǎn)程傳輸，能將移動終端的電池信息遠(yuǎn)程傳輸給服務(wù)器，以便進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。最終，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了電池管理系統(tǒng)上位機(jī)的人機(jī)交互以及電池狀態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸。

通過對電池組的充放電過程的實驗測試，本文系統(tǒng)運行穩(wěn)定，人機(jī)交互性能優(yōu)越，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程記錄完整，較好地實現(xiàn)了對純電動汽車動力電池的實時監(jiān)測與人機(jī)交互操作，驗證了該系統(tǒng)的有效性和實用性。

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