基于CCP協(xié)議的電池管理系統(tǒng)標(biāo)定模塊的設(shè)計(jì)

閆麗媛

(北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)車上電子控制單元從研發(fā)原型到形成產(chǎn)品都需經(jīng)過匹配標(biāo)定的過程，以確定其運(yùn)行參數(shù)和控制參數(shù)。因此，標(biāo)定是產(chǎn)品開發(fā)成功的關(guān)鍵因素之一。電池管理系統(tǒng)作為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的關(guān)鍵控制單元，對(duì)其實(shí)現(xiàn)可標(biāo)定功能具有重要意義[1]。通過標(biāo)定系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)人員可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)電池管理系統(tǒng)的控制參數(shù)進(jìn)行在線修改，以適應(yīng)不同的運(yùn)行環(huán)境。同時(shí)，標(biāo)定系統(tǒng)還可以監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)采集的電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和分析，以便隨時(shí)掌握試驗(yàn)情況。

目前，一般的標(biāo)定系統(tǒng)都是采用基于串行口點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，這種通信方式容易實(shí)現(xiàn)，但存在著通信速度較慢、可靠性較低等缺陷[2]。本文設(shè)計(jì)的電池管理標(biāo)定系統(tǒng)采用CCP協(xié)議，使用INCA軟件，利用 CAN接口對(duì)所需標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，便于整車的調(diào)試和控制策略的優(yōu)化。

1 標(biāo)定系統(tǒng)總體方案

本文設(shè)計(jì)的標(biāo)定系統(tǒng)包括上位機(jī)標(biāo)定平臺(tái)、下位機(jī)CAN通信擴(kuò)展電路，CAN驅(qū)動(dòng)程序和CCP驅(qū)動(dòng)程序[3]。標(biāo)定平臺(tái)部分采用ETAS公司的標(biāo)定及監(jiān)測(cè)工具INCA(Integrated Calibration and Application Software)，該工具功能強(qiáng)大，內(nèi)部集成有CCP協(xié)議，具有成熟可靠的軟硬件實(shí)現(xiàn)方案，是用于控制單元功能參數(shù)標(biāo)定的通用產(chǎn)品系列，可采集控制器的測(cè)量信號(hào)，并且在線對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化。下位機(jī)采用SJA1000作為CAN控制器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN通信電路的擴(kuò)展，在此基礎(chǔ)上開發(fā)底層CAN驅(qū)動(dòng)程序，包括CAN發(fā)送模塊和CAN接收模塊。CCP驅(qū)動(dòng)程序則包括了標(biāo)定處理任務(wù)和數(shù)據(jù)上傳處理任務(wù)，設(shè)計(jì)的標(biāo)定系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

2 標(biāo)定系統(tǒng)硬件電路模塊

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)方案

BMS的核心控制器為TI公司的TMS320LF2407A DSP芯片，其內(nèi)部集成有1個(gè)CAN總線接口，該接口主要用于和整車上其他控制器交換信息。由于在標(biāo)定期間占用CAN總線資源較多，如果標(biāo)定功能和正常的CAN通信功能實(shí)現(xiàn)于同一條CAN總線上，會(huì)影響到BCU與其他控制器之間的通信，所以在硬件電路設(shè)計(jì)中采用SJA1000在BMS中擴(kuò)展出1個(gè)專用于標(biāo)定功能的CAN接口。其設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖1 標(biāo)定總體方案圖

圖2 標(biāo)定用CAN接口擴(kuò)展方案

以現(xiàn)有BCU系統(tǒng)的核心控制器TMS320LF2407A作為上層控制器，通過地址/數(shù)據(jù)總線對(duì)SJA1000進(jìn)行控制命令的寫入和狀態(tài)、數(shù)據(jù)的讀取。同時(shí)，DSP通過I/O口輸出控制字來(lái)控制CPLD，使其輸出片選以及讀寫控制信號(hào)至SJA1000，以便配合DSP對(duì)SJA1000的操作。

2.2 SJA1000擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)

圖3 SJA1000外擴(kuò)電路圖

SJA1000是一種獨(dú)立的CAN控制器，用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制，支持CAN2.0B協(xié)議。其內(nèi)部集成了控制寄存器和狀態(tài)寄存器，外部控制設(shè)備(如單片機(jī)、DSP等)可以訪問這些寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其工作方式的配置和工作狀態(tài)的查詢。另外，其內(nèi)部還集成了發(fā)送和接收緩沖器，核心控制設(shè)備可以通過讀寫這些緩沖器來(lái)獲得和發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)信息的交換。

本設(shè)計(jì)選擇0x8000作為SJA1000地址輸入端口，0xA000作為SJA1000數(shù)據(jù)輸入輸出端口。由于SJA1000地址線和數(shù)據(jù)線復(fù)用，且均為8位，因此只需DSP的低8位數(shù)據(jù)線與SJA1000的AD[0…7]相連即可。SJA1000外擴(kuò)電路圖3所示。

3 標(biāo)定系統(tǒng)軟件部分

標(biāo)定的軟件部分分為CAN底層通訊部分和CCP驅(qū)動(dòng)程序部分。CAN底層通信主要是實(shí)現(xiàn)CAN控制器的初始化，以及CAN報(bào)文的接收和發(fā)送。作為底層模塊，這些功能將被標(biāo)定處理任務(wù)調(diào)用。為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)定，通信部分通過采用基于CAN通信模式的CCP協(xié)議，標(biāo)定平臺(tái)部分采用ETAS公司的標(biāo)定及監(jiān)測(cè)工具INCA。

3.1 CCP協(xié)議簡(jiǎn)介[4]

CCP協(xié)議屬于CAN通信的應(yīng)用層協(xié)議，完全遵循CAN通信協(xié)議，主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的標(biāo)定，同時(shí)可進(jìn)行循環(huán)或事件驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)。用于標(biāo)定和數(shù)據(jù)采集的CAN通信協(xié)議是基于主從通信模式的協(xié)議。1個(gè)CCP主機(jī) (位于PC機(jī)的標(biāo)定平臺(tái))可與CAN總線上的1個(gè)或多個(gè)CCP從機(jī)(ECU)連接。圖4為CCP主從模式的通信配置示意圖。主機(jī)通過從機(jī)站地址的配置實(shí)時(shí)地建立主、從機(jī)之間的邏輯連接。該連接在另一站地址被選中或當(dāng)前站地址通過指令被明確斷開連接之前一直有效。

圖4 主從通信方式框圖

CCP采用2個(gè)報(bào)文對(duì)象，每個(gè)對(duì)象對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)流向，具有唯一的ID標(biāo)識(shí)碼，主設(shè)備發(fā)送給從設(shè)備的數(shù)據(jù)對(duì)象為CRO(Command Receive Object)，從設(shè)備反饋給主設(shè)備的數(shù)據(jù)對(duì)象為DTO(DataTransmission Object)，CRO用于傳遞指令代碼和內(nèi)部功能碼或主、從機(jī)之間交換的存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)。圖5、圖6為 2種 CCP報(bào)文對(duì)象 CRO、DTO的結(jié)構(gòu)示意圖。若主設(shè)備要求從設(shè)備周期性地自動(dòng)將需要被實(shí)時(shí)監(jiān)視的數(shù)據(jù)發(fā)送給主設(shè)備，此時(shí)該DTO被稱為DAQ。本標(biāo)定系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集采用DAQ模式，即將BMS中需要標(biāo)定和監(jiān)視的參數(shù)按照要求的周期進(jìn)行上傳，無(wú)需對(duì)每個(gè)參數(shù)分別發(fā)送。圖7為DTO-DAQ結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 CRO結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 DTO結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 DTO-DAQ結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合CCP協(xié)議的應(yīng)用架構(gòu)，本標(biāo)定系統(tǒng)中CCP協(xié)議的應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 CCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)圖

3.2 CCP驅(qū)動(dòng)的集成及通信過程

CCP驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)比較復(fù)雜的程序，從CCP通信實(shí)現(xiàn)形式上劃分，主要由命令處理模塊和DAQ處理模塊兩大部分組成；從函數(shù)接口調(diào)用角度，主要由函數(shù)ccpInit()、ccpBackground()、ccpDAQ()、ccpCommand()、ccpSend()、ccpSendCallback()以及其他可選用函數(shù)組成。

CCP命令處理模塊是作為系統(tǒng)的一個(gè)任務(wù)來(lái)完成，在系統(tǒng)初始化后啟動(dòng)運(yùn)行。調(diào)用CAN驅(qū)動(dòng)程序從總線上獲取CCP主設(shè)備發(fā)給從設(shè)備的命令，從設(shè)備根據(jù)命令做相應(yīng)的動(dòng)作，并回送命令應(yīng)答，完成對(duì)話。其實(shí)現(xiàn)框圖如圖9所示。

命令處理模塊具體的操作是利用ccpCommand()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)解析并執(zhí)行CRO命令，命令接收對(duì)象，用于傳遞指令代碼和內(nèi)部功能碼，其形參為指向CAN數(shù)據(jù)幀接收緩沖區(qū)首字節(jié)地址的指針，通過分析該CAN幀的第1個(gè)字節(jié)即命令代碼字節(jié)cmd從而判斷該CRO報(bào)文的功能。在建立好邏輯連接的前提下，采用條件語(yǔ)句(if語(yǔ)句)和選擇語(yǔ)句(switch語(yǔ)句)將任務(wù)分配到具體的模塊。

圖9 CCP通信框圖

圖10 DAQ模塊處理流程圖

DAQ處理模塊的主要任務(wù)是根據(jù)主設(shè)備要求，周期定時(shí)地通過CAN總線向主設(shè)備發(fā)送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。通過讀取BMS內(nèi)部控制參數(shù)的當(dāng)前值，并用DAQ-DTO幀發(fā)送給主設(shè)備。命令處理模塊在收到主設(shè)備要求啟動(dòng)DAQ的命令時(shí)，調(diào)用OS函數(shù)OSTaskCreat()，啟動(dòng)相應(yīng)的 DAQ任務(wù)；該任務(wù)每完成1次DAQ發(fā)送后，調(diào)用OS函數(shù)OSTimeD-lyHMSM ()將其掛起，下一發(fā)送時(shí)間到來(lái)時(shí) ，OS 將自動(dòng)使該任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)；在收到主設(shè)備要求停止DAQ的命令時(shí)，調(diào)用 OS函數(shù) OSTaskDel()刪除該任務(wù)。

DAQ處理模塊主要是通過 ccpDAQ()函數(shù)實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)的形參為Event Channel。通過主設(shè)備設(shè)置DAQ發(fā)送周期，即將相應(yīng)的周期值傳給形參，從而實(shí)現(xiàn)按主設(shè)備要求的周期發(fā)送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。具體流程如圖10所示。

本設(shè)計(jì)硬件采用SJA1000在BCU系統(tǒng)中擴(kuò)展出一個(gè)專用于標(biāo)定功能的CAN接口，實(shí)現(xiàn)了在不妨礙電池管理系統(tǒng)的采集、通信以及估算等重要任務(wù)完成的情況下進(jìn)行標(biāo)定。軟件根據(jù)CCP協(xié)議的要求，以CAN驅(qū)動(dòng)程序?yàn)榛A(chǔ)，完成CCP驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，并集成了BCU主程序，實(shí)現(xiàn)與上層標(biāo)定系統(tǒng)的通信。

通過以上功能的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)的標(biāo)定功能，對(duì)實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。

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