基于MK60DN512ZVLQ10純電動汽車BMS上位機模塊設計與實現

汪陽雄，張向文

WANG Yangxiong,ZHANG Xiangwen

桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004

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

1　引言

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

電池管理系統上位機模塊是電池管理的重要組成部分，目前的上位機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，數據傳輸是八位同步傳輸，只要一位傳輸錯誤，全部重新傳輸，顯示界面設置也相對復雜[8]。蔣曉峰等[9]基于施耐德XBTGT系列觸摸屏采用工業以太網Modbus TCP/IP方式，其顯示屏驅動及配置較為復雜。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，沒有內部存儲單元，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，沒有相應控件的界面制作。隨著純電動汽車動力電池管理上位機功能的增加，上位機顯示屏需要顯示的內容逐漸增加，原來的并口觸摸屏界面設計逐漸復雜。另外，為了將電池狀態信息傳輸到遠程監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　上位機設計整體框架圖

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

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

2　整體方案設計

BMS上位機模塊的主要功能包括下位機數據的接收與顯示、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，根據功能要求，本文設計整體方案如圖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展性。該芯片集成了CAN控制器，通過外接的CAN收發器可以搭載在CAN總線，可以實現BMS下位機模塊以及其他車載電子控制單元與主控制器之間的數據交互。

電池狀態和故障信息的顯示、充放電的管理都是通過HMI觸摸顯示屏實現的，主控制器通過串口與HMI顯示屏之間進行信息交互。充放電管理是通過HMI面板控制按鍵實現充放電選擇的，故障診斷與報警是根據事先設定好的系統閾值與采集數據的比較確定故障并通過蜂鳴器實現報警的。

HMI觸摸顯示屏選用的是基于串口通信的電容式觸摸感應顯示屏，在前期將所需顯示內容圖片加載與存儲在顯示屏自帶內存區，傳輸過程只需傳輸界面顯示的數據部分，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，提高頁面刷屏速度，消除視覺上的刷屏延遲現象。

主控制器通過串口與GPRS無線通信模塊相連，進行電池狀態數據的無線傳輸[13]，本文采用的是一款擁有GPRS無線數據傳輸功能的低功耗的SIM908模塊作為汽車上位機終端和遠端服務器之間的無線通訊模塊。GPRS網絡提供UDP和TCP兩種傳輸協議，UDP協議無法提供可靠的數據傳輸，不能保證數據傳輸的正確性，而TCP協議則提供的是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的傳輸層通信服務[14]。為了保證數據傳輸的準確性，本文選用TCP/IP協議進行移動終端與服務器之間的通訊。

3　CAN總線通信設計及實驗

3.1　CAN總線原理

CAN總線是由以研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發的，并最終成為國際標準，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。由于采用了許多新技術及獨特的設計，CAN總線與一般的通信總線相比，它的數據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收發器才能接入CAN總線進行通信，FlexCAN模塊支持CAN2.0協議里的標準幀和拓展幀。本文選用高速收發器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總線傳輸的穩定性[19]。CAN收發器電路原理如圖2所示。

圖 2　CAN收發器電路原理圖

CAN總線的物理層采用兩條差分信號線來組成一個數據通道。在CAN總線報文傳輸中，幀格式有含11位標識符的標準幀和含29位標識符的擴展幀，本文選用了11位的標準幀格式。幀類型有4種：數據幀、遠程幀、錯誤幀和過載幀。數據幀是將所傳數據從發送器傳輸到接收器，遠程幀是請求發送相應數據幀，錯誤幀是總線傳輸出現錯誤時發送的，過載幀是在相鄰數據幀或遠程幀之間傳輸來提供附加延時的。

報文緩沖區是CAN模塊發送/接收中最關鍵的一個環節，報文緩沖區的組成如圖3所示[19]。

在圖3中，各個字段都有其相應的含義。CODM表示報文緩沖區碼，接收和發送時報文緩沖區碼的意義不同，在程序實現中，本文通過宏定義進行重命名。SRR位只存在于擴展格式，用于代替標準格式中的RTR位。IDE位用于區分標準格式（邏輯“0”）與擴展格式（邏輯“1”）。RTR位用于區分數據幀（邏輯“0”）和遠程幀（邏輯“1”）。4位的DLC段用于表示報文中數據段的數據字節數，從高位開始輸出，可選范圍為0～8。TIME STAMP表示時間戳，開始發送報文或接收報文時，從自由計時計數器獲取時間加載到此時間戳段。PRIO字段用于定義發送優先級，只有相應寄存器位段置1，且報文緩沖區為發送報文緩沖區時，此字段才有效。Data段即數據段，是數據的內容，由DLC段決定可發送0～8個字節的數據。

在CAN協議中，ID起著重要的作用，決定數據幀發送的優先級，也決定其他節點是否接收該數據幀。優先級的仲裁是根據CAN總線的邏輯“線與”特性來實現的，ID從高位開始輸出，ID越低，優先級越高。由于CAN總線的數據以廣播形式發送，每個連接到總線的CAN節點收發器都能接收到數據，因此CAN控制器具有根據報文ID過濾報文的功能，僅接收某些符合指定ID的報文，過濾不相關的報文。

本文協定總線傳輸波特率為1 MB/s，需設置應用層協議。CAN總線通信雙方都必須約定使用相同的波特率才能進行同步、正常通信，CAN協議的波特率需要考慮位時間和采樣點時間。CAN協議是把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（PRESDIV）為4，這樣才能保證CAN協議波特率為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（MB），有全局掩碼寄存器和各個報文緩沖區獨立的掩碼寄存器。掩碼，也叫屏蔽碼，用于控制相應位的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據移位接收，再由掩碼寄存器根據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。

表1是下位機和主控制器之間通過CAN總線傳輸的主要數據內容及其相應數據長度；表2是21種故障診斷的故障等級設定，不同故障等級會有不同的報警方式及處理方式。

表1　CAN總線傳輸主要數據內容和長度設定表

圖3　報文緩沖區

表2　故障等級設定表

3.2　CAN總線實驗

將飛思卡爾K60主控制器的CAN收發器同CAN總線調試工具進行物理層連接，主控制器中的CANH引腳與調試器的CANH引腳相連，CANL引腳與調試器的CANL引腳相連，將CAN總線調試工具的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。經過主控制器程序設置，控制HMI觸摸顯示屏的觸摸熱區的返回數據通過CAN總線發送出來，同時，通過CAN總線調試器發送相應指令能改變顯示器的相應參數。CAN總線調試工具[20]測試結果，如圖4所示。

圖4　CAN模塊收發實驗效果圖

實驗結果表明CAN模塊能正常發送和接收，從接收的數據可以得出HMI顯示屏所顯示的界面ID、所需設定參數的值等信息。通過調試工具發送相應指令，也能改變HMI顯示屏的相應顯示界面。

4　串口HMI通信設計及實驗

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，FLASH存儲器存儲空間為16 MB，運行內存為3 584 Byte，串口指令緩存為1 024 Byte。串口HMI是設備封裝好HMI的底層功能，通過串口（USART 232）與用戶MCU進行交互，MCU可以隨時通過USART發指令通知設備切換某個頁面或者改變某個組件的屬性。設備也可以隨時通過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備當前進入某個頁面。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備內部自己實現的，提前將所要顯示的界面通過專用制作軟件制作完成，存儲在設備內部，USART只需要傳輸界面顯示的數據信息，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、系統設置界面（報警時間信息顯示界面、時間設置界面和3個系統配置界面）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置按鍵鏈接，并實現數據輸入、處理、輸出等功能。數據輸入有兩種形式：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，本文設計了一個觸摸數字輸入按鍵，通過按鍵輸入整個系統運行的最初設定值，并且，對于其中的部分數據都有范圍設置與輸錯報警；外接串口輸入中，本文在主控制器部分的程序設計上做出了各個數據的顯示對應關系。最后，將HMI模塊的串口輸入與輸出都做了統一規定，保證其和主控制器的串口數據輸入與輸出的格式一致。

在使用界面制作軟件USART HMI時，本文主要應用了該軟件工具箱里的文本、數字、按鈕、進度條等。加載進顯示屏自帶內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，詳細介紹如表4所示。使用到的系統變量有sys0、sys1、sys2，均為內置數值變量。

表3　加載界面列表

在人機交互時，每次對觸摸屏的操作都會伴隨著相應事件的發生，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行，按下事件表示程序指令在按鍵按下后執行，彈起事件則表示在彈起后執行。

在頁面切換功能的實現上，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，從而發送相應界面所需顯示的數據給顯示屏。在參數輸入設置的數字鍵盤中使用get指令，能將通過觸摸屏輸入的參數通過串口發送到主控制器，進而設定相應閾值。

本文設計的串口HMI設備輸出數據主要有3種格式，如表5所示。

在數字輸入按鍵的設計中，本文設計了輸入錯誤報警提示，這樣可以減少系統在使用過程中的人為操作錯誤，例如，在時間的輸入設置中，事件輸入數值嚴格遵循萬年歷法，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設備輸出數據格式列表

圖6　輸入數據錯誤報警提示界面

4.2　串口HMI通信實驗

通過圖像制作軟件得到上位機主界面、單體電池相關信息顯示界面、總體電池信息界面、故障診斷界面、系統參數配置界面以及HOME界面等，如圖7所示。然后在上位機界面制作軟件中，設置相應按鍵功能實現界面互通和參數設置。

通過串口調試助手觀測HMI顯示屏的串口輸出數據，可以得出實際輸出數據與理論輸出數據一致，輸出數據如圖8所示。

5　系統整體實驗

在CAN通信和串口HMI調試完成后，利用實驗室的ARBIN電池測試系統、磷酸鐵鋰動力電池組、BMS下位機模塊、設計的上位機主控制器、HMI觸摸顯示屏和GPRS模塊進行系統的整體實驗測試，驗證系統的可行性。

圖7　上位機各界面設計圖

圖8　串口調試助手測試結果圖

圖9　系統整理物理連接調試圖

實驗測試的整體結構如圖9所示，首先通過觸摸屏選擇充電管理，下位機BMS模塊開啟動力電池組的充電，ARBIN電池充電系統開始對動力電池組進行充電，主控制器接收BMS下位機的電池狀態信息，通過觸摸顯示屏進行顯示，結果能夠正確地顯示充電過程的電池狀態變化。然后，通過觸摸屏選擇放電管理，利用ARBIN電池測試系統對電池組進行放電，主控制器接收BMS下位機的電池狀態信息，通過觸摸屏進行顯示，結果能夠正確反映電池狀態的變化。另外，通過GPRS模塊實現數據的無線遠程傳輸，遠程監控數據顯示界面及單體電池電壓監測曲線如圖10所示。

圖10　遠程服務器接收信息

6　結束語

本文設計并實現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上位機模塊，包括飛思卡爾K60主控制器、CAN總線數據傳輸模塊、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信息，并發送給HMI顯示屏，同時，將顯示屏發送來的相應指令發送給BMS下位機模塊。CAN總線數據傳輸模塊實現各BMS下位機模塊與主控制器的實時雙向數據交互，可以將信息傳輸給主控制器，或者接收相應執行指令。HMI顯示屏串口傳輸模塊實現液晶顯示屏與主控制器的同步全雙工數據通信，能將所需顯示的數據從控制器傳輸給顯示屏，也能從顯示屏將相應指令傳輸給控制器。GPRS無線傳輸模塊實現了電池狀態信息的遠程傳輸，能將移動終端的電池信息遠程傳輸給服務器，以便進行遠程監測。最終，整個系統實現了電池管理系統上位機的人機交互以及電池狀態的遠程傳輸。

通過對電池組的充放電過程的實驗測試，本文系統運行穩定，人機交互性能優越，數據遠程記錄完整，較好地實現了對純電動汽車動力電池的實時監測與人機交互操作，驗證了該系統的有效性和實用性。

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