面向智能化汽車電池控制器燒錄系統的設計與實現

王峰 嚴浩浩 趙鑫

摘? 要：針對某廠電池控制器程序燒錄自動化程度低、生產離散化嚴重的問題，對其電池生產線電池管理系統燒錄工序模塊進行分析和研究。采用與車間MES系統相結合的方法對燒錄技術進行改進，設計了基于LabVIEW編程語言的汽車BMS燒錄上位機軟件，實現其與車間MES系統的交互。通過模塊化的設計，降低了各個模塊之間的耦合度，便于日后燒錄系統的更新、升級和維護，使該系統具有一定的可擴展性。結果表明，該上位機軟件與車間MES系統交互性好，實現了生產線燒錄自動化和生產數據信息化。

關鍵詞：燒錄;MES;LabVIEW

中圖分類號：TP278? ? ?文獻標識碼：A

Design and Implementation of Burning System for

Intelligent Automobile Battery Controller

WANG Feng， YAN Haohao， ZHAO Xin

（School of Automotive and Transportation Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430018， China）

1558188066@qq.com; yanhaohao2021@163.com; zhaoxinylm@163.com

Abstract： Aiming at the problems of low-degree automation of program programming of battery controller and serious discretization of production in a certain factory， analysis and research on the programming process module of the Battery Management System （BMS） on its battery production line are carried out. The programming method is improved by combining with workshop MES （Manufacturing Execution Systems） system. This paper proposes to design host computer software of the automobile BMS programing based on LabVIEW programming language， realizing the interaction with the workshop MES system. Through modular design， coupling degree between various modules is reduced， and it is convenient to update， upgrade and maintain the programming system in the future. The system has a certain degree of scalability. Results show that the host computer software has good interaction with the workshop MES system， and realizes the automation of production line programming and production data informationization.

Keywords： programming; MES; LabVIEW

1? ?引言（Introduction）

隨著新能源汽車技術的發展和國家政策的支持，新能源汽車在市場中的占比日益增加。電池作為新能源汽車的動力來源，電池管理系統（Battery Management System， BMS）備受關注，電池控制器程序燒錄得到了各大主機廠的重視，其開發需求也在不斷增加。而對于廠商而言，使用傳統燒錄器進行程序燒錄的方法已經不能滿足其生產要求，開發出一套自動化程度高、信息化集中的燒錄軟件是非常必要的。

國內傳統的燒錄方法是利用PC機將燒錄程序存儲到燒錄器中，然后將燒錄器與電池包相連，通過操作燒錄器上的按鈕完成BMS的程序燒錄。此方法普遍是人工作業，作業人員多，燒錄效率低下且成功率不太理想。國外的燒錄技術發展較為成熟，如美國Data IO的PSV7000和XELTEK的SUPERBOT系列[1]，其特點是能同時多臺燒錄，燒錄速度快，但是成本較高，燒錄信息離散，不便于集中管理。

為響應國家號召，順應汽車未來發展趨勢，在工業4.0的背景下，將傳統行業機械化和大數據時代信息化進行深度融合，打造數字化、智能化、現代化工廠。其中制造企業生產過程執行系統（Manufacturing Execution System， MES）是實現智能車間關鍵的環節。本文設計的上位機軟件與MES系統進行交互，基于MES通過多種技術進行數據處理，開發出一個智能化的電池控制器燒錄系統。

2? 電池控制器燒錄系統方案設計（Design of battery controller programming system）

根據車間生產線生產需求，本燒錄系統設計為線邊燒錄的形式，集成在電池生產線燒錄工位。BMS燒錄系統分為自動化和半自動化兩種燒錄方式。半自動燒錄是通過掃碼槍直接讀碼獲取電池包信息，用于燒錄數量少和燒錄失敗再燒錄的情況;自動燒錄是通過接收燒錄工位PLC的信號，配合無線射頻識別技術（RFID）讀取電池包電子標簽獲取信息，用于批量燒錄生產的情況。

該上位機軟件通過CAN工具與下位機建立對話服務，利用條碼和PLC進行數據的采集，并與MES系統數據服務器相互關聯，以LabVIEW作為上位機軟件開發平臺，控制調用BootLoader。數據下載過程遵循UDS協議，根據規定的服務命令完成數據傳輸[2]。系統的總體架構如圖1所示。

BMS燒錄系統的硬件主要包括工控機、PLC、CAN接口設備、USB控制燈塔、掃碼槍、顯示器和RFID讀取器。車間MES系統和外部接口如圖2所示，目前常用的設備接口形式有以太網設備、串口設備（RS-232）等幾種。通常與系統、計算機類的硬件接口均為以太網形式，串口形式設備接口簡單方便，數據接口多為數據庫或文件交換方式。

本文設計的燒錄系統采用USB-CAN作為硬件接口設備與下位機進行通信，選用NI公司旗下的板卡，型號為USB-8502。其通信穩定流暢，具有數據速率靈活高速的特點，能有效提高燒錄效率。

3? 基于LabVIEW的上位機軟件設計（Software design of host computer based on LabVIEW）

3.1? ?上位機軟件運行流程

整個系統的軟件流程如圖3所示。電池包進入燒錄工位，首先獲取電池包流水號，通過流水號信息與MES系統進行交互，獲取工件的關鍵參數。把關鍵數據自動導入需要燒錄的程序中，啟動燒錄檢查。檢查燒錄內容的完整性以及燒錄程序與電池包流水號是否匹配。將經過校驗的數據燒入相應的程序段之中，從而使數據固化[3]。燒錄開始后，利用LabVIEW編寫的程序調用BootLoader并加載完成燒錄任務。對燒錄結果進行判斷，結果為OK，則程序燒錄成功;若燒錄失敗，生成錯誤信息，最終上傳至MES系統服務器。

3.2? ?三層式結構設計

基于LabVIEW自身的特性，針對其數據流的編程方式，上位機軟件采用分層式結構設計，分為頂層、邏輯層和驅動層。頂層主要包括人機界面和系統流程控制;邏輯層負責實現系統的各種邏輯功能，例如配置、數據處理、數據存儲和數據查詢等;驅動層負責與硬件進行通信和文件I/O等[4]。

對系統進行模塊劃分，并規劃模塊之間的聯系，根據模塊的功能來編寫程序，設計成相應的子VI，最后進行測試與調試。本軟件架構的最大優點是可使程序代碼的再使用性最大化。在不同邏輯層中的VI可重復使用相同驅動層中的VI;而在頂層VI中，又可重復使用相同邏輯層中的VI。因此，在軟件運行過程中，頂層VI只需將邏輯層VI做最有效的調用編寫，同時規定每層的VI不能跨層調用，且同層的VI不能互相調用。

上位機軟件的三層式結構架構如圖4所示。

3.3? ?BMS燒錄主程序設計

LabVIEW的編程可分為四大模塊，分別為數據庫訪問模塊、報警模塊、數據通信模塊、BootLoader模塊。

（1）基于ODBC技術的數據庫訪問模塊

該模塊設計了燒錄信息的儲存、管理和查詢功能。生產線上數據之間的存儲比較復雜，采用讀取文件的方式來獲取數據是很難實現的，因此需要利用數據庫來存儲、管理和查詢數據。ODBC作為公共數據化接口，能夠以統一的標準處理數據庫。為了使得應用程序與指定數據庫進行有效合理的通信，使用上位機程序訪問ODBC，即在LabVIEW提供大量底層VI函數的情況下，結合使用labSQL工具包，利用ADO與ODBC連接，以此訪問支持ODBC的SQL數據庫。利用ADO與ODBC訪問數據庫的過程示意圖如圖5所示。

（2）基于串口通信的報警模塊

作為一個工業級別的燒錄軟件，工位燒錄異常報警是必不可少的。生產現場安裝了控制燈塔，使用過程中根據不同的情況，VISA讀取對應的數據，并將數據發送給控制燈塔，在接收到數據后做出相應的回應，通過警示燈的狀態變化判斷燒錄工位狀態正常與否，其原理圖如圖6所示。在數據傳輸的過程中，對串口的配置依據相應的通信規則進行制定，按照要求對通信端口的傳輸速率、Start位、Stop位和檢驗位等參數進行配置[5]。VISA的串口配置要與控制燈塔的串口配置一一對應。

（3）基于PLC技術的數據通信模塊

上位機與PLC通信需要LabVIEW安裝數據記錄與監控模塊（NI DSC），結合了虛擬儀器技術與PLC技術，通過NI OPC服務器與西門子S7-1500進行實時通信。NI公司的OPC服務器提供了西門子生產廠商的驅動，省去了編寫底層驅動的工作。在LabVIEW項目中，通過I/O服務器公布共享變量來與OPC服務器進行訪問，利用OPC和PLC的“握手機制”，從而實現PLC與上位機的實時通信。本系統通信原理如圖7所示。

OPC and PLC

建立通信的具體操作步驟如下：

①新建通道，對通道數據進行配置。在裝置驅動下拉列表框中選取西門子TCP/IP Ethernet，所需其他參數使用默認數據。

②新建設備，對設備信息進行配置。在Device model下拉列表框中選取S7-1500，在Device ID中輸入與PLC同樣的IP地址。

③設置PLC中變量綁定的標簽變量。首先將名稱寫入所需位置，然后輸入進行配合的地址信息（該地址已設置完畢），繼而設置標簽變量屬性，最后通過地址的方式對其與PLC中的變量進行綁定[6]。本程序創建的綁定變量如圖8所示。

（4）BootLoader模塊

該模塊是實現電池控制器程序燒錄的關鍵。BootLoader在線燒錄主要依據UDS協議標準，按照UDS協議規范來處理會話。BootLoader通過服務指令發送診斷請求，控制器接收指令，做出相應的診斷響應，其實質是一種客服端和服務器的通信服務。依據BootLoder數據的下載流程，編寫上位機軟件向下位機控制器燒錄程序。其數據的下載流程大致分為三個階段，分別為：編程階段、主編程階段、后編程階段[7]。具體流程如圖9所示。

4? 面向MES端的系統功能實現（Realization of system function for MES）

MES系統是從經營戰略到具體生產之間的橋梁和紐帶，在MES系統的基礎上，實現燒錄過程可視化監控、燒錄結果實時采集、燒錄內容自動獲取、燒錄參數與電池型號自動配置、燒錄數據查詢追溯、人員權限管理以及輸出各類報表等功能。BMS燒錄軟件和車間MES系統交互的關鍵是數據庫中表格之間建立聯系。

4.1? ?燒錄數據庫表格建立

根據對燒錄流程的分析，為BMS燒錄系統設計了主要數據庫表格，其字段涵蓋了燒錄完整的流程信息，如表1所示。將PartSN（電池包流水號）設置成主鍵，利用SQL數據中的主鍵和外鍵約束，與MES服務器數據庫中的表格建立聯系[8]。

4.2? ?數據采集

BMS燒錄工位采用基于PLC的控制系統。為了更好地完成生產線數據庫集成，需對所采集的數據庫和PLC數據地址與MES系統內部采集地址相關聯。通過MES系統PLC與設備PLC的實時交互，最終完成基于PLC的質量數據采集，實現生產過程數據實時采集。本文采用的是條碼地址配置，通過把PLC條碼存儲地址和MES系統條碼采集地址建立一一對應的關系，最終利用OPC訪問技術讀取條碼信息[9]。

4.3? ?人員權限管理

為防止非相關人員操作，對人員進行權限管理。用戶分為兩種，一種為操作用戶，可以登錄進去操作;另一種為管理用戶，可對軟件運行涉及的人員信息進行管理，為人員賦予角色，并對其進行權限分配，可以起到定職定責的作用。對人員表格中員工編號進行角色分配，不同的角色權限也不同。用戶權限管理如圖10所示。

4.4? ?數據的查詢與追溯

在查詢生產數據時，可以通過電池包的型號確認要查詢的表名，查詢流程如圖11所示。當獲取查詢數據時（掃碼槍讀取或人工輸入），根據標簽辨識標識對象類型;當確認為電池包工件時，由工件產品碼中的標簽生成的時間來確認理論上對應的表名稱。查詢數據庫中所有歷史記錄的工件生產信息表，尋找是否存在對應表。存在對應表時，直接去對應的表中查詢，返回查詢結果。一般而言，不存在該表和查詢無結果都是異常結果，代表其信息未記錄或者記錄錯誤。為確保信息的準確性，對所有的記錄表遍歷查詢，該查詢過程耗時較長，但是異常狀態發生的概率極小。

5? ?實際應用（Practical application）

在實際應用中，該軟件完全能滿足軟件刷寫功能，如圖12所示為上位機軟件人機交互界面。經過一段時間的驗證，電池控制器燒錄時間控制在100 s內，在生產線上刷寫自動化程度高，燒錄效率快，大大減少了人力資源。由此可見，該燒錄系統具有很大可行性。

監控工位管理人員可利用MES系統對燒錄工位進行實時監管。通過服務器中的數據信息可實現質量問題的匯總，比如燒錄失敗、程序不匹配、燒錄參數無法獲取等發生的頻率，并可通過表格和柱狀圖的形式呈現出來，方便管理者查找分析結果背后的實際問題和質量原因，為明確相關責任提供可靠依據。

6 結論（Conclusion）

本文利用LabVIEW調用外部BootLoader進行BMS軟件燒錄，并與車間MES系統相結合，從而設計了一套自動化程度和刷寫效率高的燒錄軟件。有了MES系統作為輔助，BMS燒錄系統更加智能化。此外，該燒錄軟件的通用性高，模塊功能分明，軟件開發師可根據具體的需求對程序稍做修改和添加，即可快速完成軟件的修復或升級，降低了系統的開發成本和周期。

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作者簡介：

王? 峰（1985-），男，博士，高級工程師.研究領域：智能制造，工業信息化.

嚴浩浩（1997-），男，碩士生.研究領域：智能制造.

趙? ?鑫（1993-），男，碩士生.研究領域：智能制造.