張小榮,馮國勝,邱文輝，何 攀

(石家莊鐵道大學(xué) a.電氣與電子工程學(xué)院，b.機(jī)械工程學(xué)院,河北 石家莊 050043)

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基于TMS320F2812電池管理系統(tǒng)的以太網(wǎng)通信

張小榮a,馮國勝b,邱文輝a，何 攀a

(石家莊鐵道大學(xué) a.電氣與電子工程學(xué)院，b.機(jī)械工程學(xué)院,河北 石家莊 050043)

電池管理系統(tǒng)(BMS)是混合動力汽車的重要組成部分。為確保電池性能良好，延長電池使用壽命，需要對電池各個(gè)參數(shù)進(jìn)行精確采集，實(shí)時(shí)掌握電池的工作狀態(tài)。設(shè)計(jì)了一種基于TMS320F2812的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)硬件平臺，嵌入TCP/IP協(xié)議棧，開發(fā)DSP系統(tǒng)中的RTL8019AS設(shè)備驅(qū)動程序，采用“服務(wù)器-客戶端”模式，將采集的電池參數(shù)通過以太網(wǎng)控制器RTL8019AS與PC機(jī)建立通信，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端實(shí)時(shí)掌握電池的工作狀態(tài)，以保障車輛的最優(yōu)化運(yùn)行。

電池管理系統(tǒng)；TMS320F2812；TCP/IP協(xié)議棧；以太網(wǎng)控制器RTL8019AS

車載動力電池不僅是制約電動汽車規(guī)模發(fā)展的技術(shù)瓶頸，而且是電動汽車價(jià)格居高不下的關(guān)鍵因素。因此，動力 BMS 的性能對混合動力汽車使用成本、節(jié)能和安全性至關(guān)重要。 動力電池作為混合動力汽車的能源之一， 為確保電池組的良好性能以及延長電池的使用壽命， 充電站對其運(yùn)行狀態(tài)下的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)地跟蹤和控制將顯得尤為重要。 由于車輛運(yùn)行地點(diǎn)的不確定性，人們希望從任何地方任何時(shí)間可聯(lián)機(jī)快速獲取車輛BMS的各項(xiàng)信息，高性價(jià)比的以太網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸和分布式運(yùn)行，傳輸速度快，作為上位機(jī)的PC機(jī)只要能連接互聯(lián)網(wǎng)(無需與采集系統(tǒng)處于同一局域網(wǎng))，就可以在任何時(shí)間和地點(diǎn)采集并處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和實(shí)時(shí)控制。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文基于TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行以太網(wǎng)通信，通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用典型的側(cè)重?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)乃膶咏Y(jié)構(gòu)，由下而上分別為：網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層[1]。系統(tǒng)硬件主要包含以TMS320F2812為核心的DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和作為通信紐帶的以太網(wǎng)控制器RTL8019AS。TMS320F2812EVM-III有16路ADC輸入通道接口(輸入范圍0 V～3.3 V)，采集信號經(jīng)由ADC模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入數(shù)字信號處理器中處理，在以太網(wǎng)控制器中對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝(各層協(xié)議對其添加相應(yīng)報(bào)頭)，最終形成以太網(wǎng)幀的格式在以太網(wǎng)驅(qū)動程序的作用下，在物理媒介中傳輸，同時(shí)，作為上位機(jī)的PC機(jī)通過底層驅(qū)動程序接受數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收的過程。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

2 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電壓采集電路設(shè)計(jì)

電池管理系統(tǒng)中，電壓是其工作狀態(tài)的最直觀的表現(xiàn)，影響其大小的因素有環(huán)境溫度、剩余電量以及電機(jī)驅(qū)動力的大小。事實(shí)上，同種型號的動力電池往往由于一些生產(chǎn)工藝的原因或者在運(yùn)行過程中環(huán)境的不同或多或少存在一些差異導(dǎo)致電壓值不盡相同，這種差異對整個(gè)電池組的影響很大，會造成某些電池過充電或者過放電，從而極大的影響電池的使用壽命。所以，為了更好的掌握動力電池的工作情況，需要對電壓值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。DSPF2812的A/D輸入電壓范圍是0 V～3.3 V[2]，而實(shí)際使用的電池電壓多半都是12 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于A/D輸入電壓，為此需要對采集到的電池電壓進(jìn)行調(diào)理。即將實(shí)際的電壓通過電阻分壓的方式衰減到檢測芯片可以接受的范圍。也就是本設(shè)計(jì)所采用的電阻分壓采集法。該方法是將同一電池組的各單體的電壓以同一點(diǎn)為基準(zhǔn)，利用精密電阻進(jìn)行電阻分壓，將電壓衰減到一定的范圍內(nèi)，再通過各節(jié)點(diǎn)電壓依次相減得到相對應(yīng)的電池單體電壓[3](見圖2)。

該電路的缺點(diǎn)是誤差累積，比如U1所測的電壓誤差為BT1、BT2、BT3、BT4四塊電池誤差之和。但是其電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低且壽命長。對于精度要求不高的系統(tǒng)可考慮采用此種方法。本設(shè)計(jì)即采用此種方法。

2.2 電流采集電路設(shè)計(jì)

電流信號是電池過放電或過流的判斷依據(jù)，其準(zhǔn)確度和采樣速度會影響電池均衡系統(tǒng)的控制。目前常用的電流檢測方式：互感器、霍爾元件電流傳感器和分流器[4]。本設(shè)計(jì)采用霍爾元件電流傳感器，簡單直觀。綜合考量電路實(shí)際運(yùn)行的電流大小以及采樣精度，選擇CS100EK電流傳感器對整個(gè)電池組電流進(jìn)行采樣。CS100EK傳感器的供電使用雙電源+15 V和-15 V，為此供電電源選用A0515S-2W，此電源模塊輸入5 V電壓，輸出雙電壓+15 V和-15 V，精度滿足CS100EK的輸入要求。CS100EK原邊額定輸入電流100 A，測量范圍-200 A～+200 A。副邊額定輸出電壓4 V。測試實(shí)驗(yàn)平臺為12塊標(biāo)壓為12 V的電池串聯(lián)，串聯(lián)電壓144 V，負(fù)載為15 kW的無刷直流電動機(jī)，采樣電路輸入電流輸出電壓范圍均符合采樣要求。電流采樣電路如圖3所示。連接電流傳感器時(shí)應(yīng)注意在CS100EK1上方有箭頭標(biāo)注了電流的參考方向，實(shí)際方向和參考方向一致時(shí)，所測電流為真實(shí)值。電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著油門開度的變化而波動，電流與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比變化。采用上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示電壓和電流的動態(tài)變化，顯示結(jié)果如圖4 所示。

2.3 以太網(wǎng)硬件接口設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)控制器RTL8019AS高度集成，具有二重和功率下降特性，不僅可以拓展帶寬，同時(shí)避免了由于頻道爭奪引起的多路存取協(xié)議問題[5]。在本設(shè)計(jì)中可以將RTL8019AS內(nèi)部分為遠(yuǎn)程DMA和本地DMA兩個(gè)通道，其中遠(yuǎn)程DMA實(shí)現(xiàn)主處理器對以太網(wǎng)控制器的操作，而本地DMA完成以太網(wǎng)控制器與以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。RTL8019AS的工作方式由TMS320F2812的擴(kuò)展I/O口代替跳線器對其進(jìn)行初始化配置。RTL8019AS與TMS320F2812的接口電路已經(jīng)內(nèi)置在TMS320F2812EVM-III開發(fā)板中，無需再進(jìn)行調(diào)理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 TCP/IP協(xié)議棧

以太網(wǎng)最典型的應(yīng)用形式是Ethernet+TCP/IP。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)制定了開放式系統(tǒng)互連(OSI)參考模型，將通信會話需要的各個(gè)過程劃分為 7個(gè)相對獨(dú)立的功能層次，適合在理論上解釋互聯(lián)網(wǎng)通信機(jī)制，與OSI參考模型不同，TCP/IP模型為四層結(jié)構(gòu)，更側(cè)重于互連設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，而不是嚴(yán)格的層次劃分[6]。

系統(tǒng)的軟件可以看做操作系統(tǒng)的功能擴(kuò)展，RTL8019AS驅(qū)動程序擴(kuò)展了操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系，而TCP/IP協(xié)議增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)通信能力。

3.2 協(xié)議實(shí)現(xiàn)

3.2.1 物理層對以太網(wǎng)控制器的配置

RTL8019AS共有四頁寄存器組，每頁寄存器組有16個(gè)寄存器。要實(shí)現(xiàn)F2812與PC機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信，就必須對RTL8019AS的各個(gè)寄存器進(jìn)行配置。地址為00h的CR控制命令寄存器，用來選擇寄存器頁，控制遠(yuǎn)程DMA操作，內(nèi)存空間為1個(gè)字節(jié)。

TXP置1時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包，發(fā)送完畢自動清零。

PS1、PS0用來指定寄存器頁。

主要配置內(nèi)容：

1)Reg0c=0xe2，芯片處于停止模式

2)Delay_MS(10)，延時(shí)10 ms

3)配置第0頁寄存器

RCR，不接收數(shù)據(jù)包，處于監(jiān)視模式；TCR處于look back模式；設(shè)定網(wǎng)卡的內(nèi)部環(huán)路自檢為外部發(fā)送方式；清除所有中斷標(biāo)志位；中斷屏蔽寄存器清0，禁止中斷；配置DCR為16位DMA方式；確定FIFO門限。

4)配置第1頁寄存器

清RBCR0與RBCR1；配置RCR、TCR清0；數(shù)據(jù)配置寄存器與中斷屏蔽寄存器清0。

5)繼續(xù)切換配置第0頁集寄存器

設(shè)置芯片正常模式，建立連接；啟動芯片工作；清除中斷標(biāo)志位。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)接口層 ARP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

ARP地址解析協(xié)議建立IP地址與底層的MAC地址之間的動態(tài)映射。接收以太網(wǎng)幀，數(shù)據(jù)由下向上傳輸時(shí)，RARP協(xié)議將48位的MAC地址映射為32位的IP地址。相反的，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，ARP協(xié)議將32位IP地址映射為48位的MAC地址。使用ARP協(xié)議不必事先知道各個(gè)主機(jī)的物理地址就可以發(fā)送數(shù)據(jù)，并且當(dāng)映射關(guān)系發(fā)生變化時(shí)，可以進(jìn)行及時(shí)的修正。ARP協(xié)議實(shí)現(xiàn)過程如圖5所示。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

IP模塊作為協(xié)議棧的核心協(xié)議，提供面向無連接的，不可靠的數(shù)據(jù)傳輸，也就是說IP數(shù)據(jù)報(bào)可以不按照發(fā)送順序接收，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)都是彼此獨(dú)立的選擇路由，所以到達(dá)順序不一。網(wǎng)絡(luò)中所有的TCP、UDP以及ICMP數(shù)據(jù)都以IP數(shù)據(jù)報(bào)格式傳輸，并且IP為數(shù)據(jù)報(bào)選擇路由，將其發(fā)往網(wǎng)絡(luò)接口層，或者回環(huán)給上層協(xié)議軟件[7]。所有的數(shù)據(jù)發(fā)送都是通過程序void SendFrame(Uint16 *TxdNetBuff,Uint16 length)進(jìn)行發(fā)送，其中Uint16 *TxdNetBuff指向發(fā)送緩沖區(qū)，Uint16 length為發(fā)送數(shù)據(jù)長度。

3.2.4 傳輸層TCP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

由于IP協(xié)議的無連接和不可靠性，數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)層到達(dá)傳輸層時(shí)，TCP協(xié)議為不可靠的IP連接提供可靠的、端對端的數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)的完整性。使用TCP協(xié)議通訊之前，必須建立一條可靠的連接(套接字)，數(shù)據(jù)傳送完畢后釋放連接。連接過程要經(jīng)過“三次握手”，如圖6所示。

服務(wù)器先對DSP系統(tǒng)初始化，包括對各個(gè)子模塊和中斷向量表的初始化。

運(yùn)行TCP_tester.exe調(diào)試軟件，輸入IP地址和端口號，建立連接。連接成功后，開始數(shù)據(jù)的傳送。在CCStudiov3.3編譯環(huán)境下，運(yùn)行程序，使用IP抓包工具，設(shè)置捕包條件(包括幀類型、IP地址、端口號等)，開始捕包，抓取數(shù)據(jù)包如圖7所示。根據(jù)左下角的報(bào)文分析可以讀出所采集的數(shù)據(jù)信息，在報(bào)文分析中，選中左側(cè)報(bào)頭名稱，右側(cè)相應(yīng)的顯示報(bào)頭內(nèi)容，可選中Tcp Header查看采集信息情況。根據(jù)幀類型的不同，調(diào)用不同的函數(shù)進(jìn)行處理：ProcessEthBroadcastFrame()處理ARP幀，ProcessEthIAFrame()處理TCP幀。

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了基于TCP/IP協(xié)議的DSP系統(tǒng)作為服務(wù)器，上位機(jī)作為客戶端的網(wǎng)絡(luò)通信，將DSP強(qiáng)大的運(yùn)算能力與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，結(jié)構(gòu)簡單，功能強(qiáng)大，使得DSP系統(tǒng)方便與網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備進(jìn)行信息共享。經(jīng)試驗(yàn)，通過網(wǎng)絡(luò)抓包工具設(shè)置捕包條件，抓取F2812采集到的電池組各項(xiàng)參數(shù)，通過和上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示電池參數(shù)的動態(tài)變化作比較，出入不大。軟件性能穩(wěn)定，跟蹤效果良好，有著很好的應(yīng)用前景

[1] Chriistian Le gar e(加拿大).TCP/IP,The Embedded Protocol Stack For the STM32 ARM Cortex-M3[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013．

[2] 顧衛(wèi)剛.手把手教你學(xué)DSP-基于TMS320X28X[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[3] 張偉雄.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[4] 宋雪樺，吳和生，劉錦娟. 混合動力汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子測量與儀器，2011,30(6)：6-8．

[5] 劉國福，廖巍.DSP與以太網(wǎng)的接口技術(shù)研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2001(1)：59-61.

[6] 朱愛軍.基于DSP的便攜式多功能電能測量儀的應(yīng)用研究[J].中氮肥，2003(1)：59-62.

[7] 林成浴.TCP/IP協(xié)議及其應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2013.

Ethernet Communication of Battery Management System Based on TMS320F2812

ZHANG Xiao-ronga, FENG Guo-shengb, QIU Wen-huia, HE Pana

(a.College of Electrical and Electronics; b.College of Mechanical Engineering,Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, Hebei, China)

Battery management system (BMS) is the main factor that restricts the development of hybrid electric vehicle. In order to ensure the battery performance is good, the battery life is prolonged, accurate collection of various parameters of the battery and real time control of the working status of the battery is necessary. In this paper, a hardware platform of Ethernet communication system based on TMSF2812 was designed, which embedded TCP/IP protocol stack, developed RTL8019AS device driver in DSP system, used “server-client” mode. The acquisition of the battery parameters through the Ethernet controller RTL8019AS and PC was applied to establish communications in order to realize the real-time control of the working state of the battery in remote terminal, and ensure the optimal operation of the vehicle.

battery management system; TMS320F2812; TCP/IP protocol stack; Ethernet controller RTL8019AS

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(混合動力客車能量控制策略研究)：E2014210050；河北省引進(jìn)留學(xué)人員資助項(xiàng)目(混合動力客車能量管理及電機(jī)控制策略研究)：C2015005019；河北省研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(軌道除沙車回轉(zhuǎn)底盤設(shè)計(jì)與模型制作)：yc2016003；河北省研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(混合動力客車研究與仿真)：yc2016011。

2016-09-05

張小榮(1990-)，男，河北武安人，碩士，主要從事BMS開發(fā)，E-mail:18732190686@163.com。

U469.72

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1008-9446(2017)01-0052-05