【文章內(nèi)容簡介】 送到主節(jié)點上，實現(xiàn)對車 的身上的各種參數(shù)的動態(tài)測量。同時也會將電池組的 狀態(tài)量 傳送到顯示單元進行顯示 。 基于 STM32的車在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計控制框圖 根據(jù)動力電池管理系統(tǒng)功能和實際參與控制的對象 , 設計出電池管理系統(tǒng)中央控制器及電池測控模塊 ,采用功能劃分和模塊化設計思想 , 系統(tǒng)分離成不同的功能模塊。電池管理系統(tǒng)中央控制器是整個系統(tǒng)的核心 ,整個硬件系統(tǒng)主要由 3 個模塊組成 : （ 1）信號采集模塊 。 （ 2）中央處理器模塊 。 （ 3） 顯示模塊 。 本文設計的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如下圖 21 所示。 11 D B 1 2 0 3（ 1 4 ）S T M 3 2 F 1 0 3 V B芯 片K E Y緊 急 停 車加 速 踏 板制 動 踏 板車 速 方 波P T 1 0 0電 流電 池 電 壓溫 度控 制充 電狀 態(tài)切 斷高 壓車 速狀 態(tài)電 機溫 度S O C 值計 算溫 度異 ?？?制 輸 出繼 電 器緊 急 制 動S O C 值電 機 溫 度車 速 狀 態(tài)電 池 溫 度故 障 信 息控 制 器 狀態(tài)制 動 能量 回 收 圖 21 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖 信號的采集與處理 電動汽車的蓄電池組通常要包含幾十只甚至上百只單體電池，鋰電池或鎳氫電池可能達到上百個單體，通常工作電壓在 300 V 左右，工作電流高達幾百安培 。電池組一般都采用串聯(lián)方式工作，工作電流與單體電池是一樣的，檢測比較容易，而端電壓的檢測則比較困難 。 若只檢測電池組的端電壓，方法很簡單，只需在電池組的兩端接上檢測電路即可，但這樣做是不行的，因為雖然可以得到總的工作電壓，但無法判斷具體某只單體電池的端電壓，而只要有一只電池出問 題就會影響整組電池的正常工作和性能 。 電池管理系統(tǒng)需要采集的信號有 :電壓信號、電流信號和溫度信號。過多的信號將導致電池管理系統(tǒng)過于復雜 ,從降低成本和提高系統(tǒng)的可靠性等方面考慮 ,電池管理系統(tǒng)越簡單越好。電池管理系統(tǒng)信號采集如下 : 12 (1) 電壓信號的采集 :鋰離子電池管理系統(tǒng)需要采集每個單體電池的電壓信號。電壓采集電路通過線性光耦開關依次選擇被測的電池單體 ,通過采樣保持電路后 ,經(jīng) A/ D 轉(zhuǎn)換采集電壓數(shù)據(jù)。 (2)電流信號的采集 :系統(tǒng)只需采集整個電池箱的充放電電流 ,故采用分流計采集電流數(shù)據(jù) 。 (3)溫度信號的采集 :采用溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)。綜合考慮溫度的準確性和可靠性 ,電池箱設置 10個溫度采集點 ,均勻分布在電池箱的待測電池單體上。 本文所述信號采集系統(tǒng)的基本處理方法，是外圍電路提供一個參考電壓，把采集到的狀態(tài)量轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過兩者的比較，把得出的數(shù)據(jù)通過 CAN口傳輸?shù)絻x表上顯示。通過比較得出的 X值就是所檢測的電池電壓。本系統(tǒng)設定的參考電壓為 ，假設采集到的信號量為 X，采用的原理公式如下： 車載系統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊 CAN 網(wǎng)絡的基本概念 CAN總線是德國 Bosch公司 20世紀 80年代初 為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議 . CAN已成為國際標準 ( ISO 11898) ,是具有國際標準的現(xiàn)場總線 ,規(guī)范 210A 和 210B. CAN 總線可支持 8 /16位 CPU,可與各種處理器接口或組成智能化儀器儀表 ?？晒ぷ饔诙嘀鞴ぷ鞣绞?,任一節(jié)點任一時刻均可主動發(fā)送信息 ,不分主從 ,通訊方式靈活 ,可方便的構(gòu)成多機容錯系統(tǒng) 。節(jié)點可分成不同優(yōu)先級 ,滿足不同的實時要求 。采用非破壞性總線仲裁技術(shù) ,多點同時發(fā)送時 ,優(yōu)先級低的節(jié)點 ,主動停止發(fā)送 ,優(yōu)先級高的不受影響繼續(xù)發(fā)送 ,有效的避免了總線沖突 ?？刹捎命c對點、一點對多點及全局廣播等方式傳送和接收數(shù)據(jù) ,直接傳送距離達 10km /5Kbps, 速率最高達 1Mbp s/40m,總線上的節(jié)點數(shù)據(jù)理論值達 2021 個 ,實際由于時延可達110個 。采用短幀結(jié)構(gòu)每一幀有效字節(jié) 8個 ,傳輸時間短 ,受干擾概率低 ,重新發(fā)送快 。通訊介質(zhì)可采用雙絞線及光纖 。用戶接口簡單、編程方便 。溫度 40℃～ + 13 125℃工作 。節(jié)點故障時有自動關閉總線功能 ,可以與總線脫離 ,不影響總線操作 。每幀具有 CRC校驗和其它檢測措施 ,保證出錯率極低 。具有很高的適應性 。接口收發(fā) 器具有瞬時電壓保護 , RT抑制、熱保護、短路保護等 . CAN 通信協(xié)議規(guī)定了 4 種不同的幀格式 ,即數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀和超載幀?；谙铝?5 條基本規(guī)則進行通信協(xié)調(diào) ： （ 1）總線訪問 ； （ 2）仲裁 ； （ 3）編碼 / 解碼 ； （ 4）出錯標注 ； （ 5）超載標注。 電動車對通信系統(tǒng)的要求是 : （ 1） 數(shù)據(jù)傳輸可靠、實時性高 ,傳輸速率高、誤碼率低 。 （ 2） 系統(tǒng)的可靠性高 ,即當節(jié)點或總線出現(xiàn)故障時對整車性能的影響盡可能的小 。 （ 3） 系統(tǒng)的魯棒性好 ,允許多主網(wǎng)絡存在。 CAN 總線作為一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡完全能夠滿足這些要求 ,其模型結(jié)構(gòu)只有三層 ,即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。 CAN 網(wǎng)絡在車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用 電動車 CAN 總線系統(tǒng) ,由中央控制器、電池管理系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)組成。各個控制器之間通過 CAN 總線進行通信 ,以實現(xiàn)傳感器測量數(shù)據(jù)的共享、控制指令的發(fā)送和接收等 ,并使各自的控制性能都有所提高 ,從而提高系統(tǒng)的控制性能。它們之間的通信與信息類型為信息類和命令類。信息類主要是發(fā)送一些信息 ,如傳感器信號、診斷信息、系統(tǒng)的狀態(tài)。 CAN 總線具有較高的性價比 ,結(jié)構(gòu)簡單 ,器 件容易購置 ,每個節(jié)點的價格較低 ,開發(fā)技術(shù)容易掌握 ,能充分利用現(xiàn)有的單片機開發(fā)工具。本文所設計的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)是應用在電池電動汽車的整車分布式 CAN 網(wǎng)絡上的 , 對整個 CAN 網(wǎng)絡上的節(jié)點數(shù)據(jù)進行采集和存儲。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 22所示。 14 數(shù) 據(jù) 顯 示 系 統(tǒng)C A N 節(jié) 點S O C 系 統(tǒng)電 池 監(jiān) 控 系 統(tǒng)溫 度 、 電 壓 、電 流 信 號電 壓 、 電 流信 號溫 度 、 電 壓 、電 流 信 號電 池 組C A N 節(jié) 點C A N 節(jié) 點C A N 節(jié) 點電 池 保 護 系 統(tǒng)C A N 總 線 圖 22 CAN網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖 CAN網(wǎng)絡在 本文設計采集系統(tǒng)中起到的作用跟如上所述相同。通過信號采集系統(tǒng)對各單體蓄電池的溫度和電壓進行監(jiān)測采集，通過 CAN總線與控制器進行通訊，將蓄電池組 SOC，溫度和電壓等參數(shù)實時傳送 給總控制器。 系統(tǒng)主要性能指標 一般認為電池管理系統(tǒng)主要有如下功能：電池狀態(tài)參數(shù)采集 (包括溫度 、 電壓 、 電流等 )、 電池荷電狀態(tài) (SOC)的準確估計 、 不健康電池的早期診斷 、 對電池組安全運行全面監(jiān)控，如防止電池的過充電和過放電等。 本采集 系統(tǒng)的各項功能及指標 （ 1） 自動在線連續(xù)監(jiān)測不同標定電壓電池的單體電壓及總電壓值 。 （ 2） 自動對蓄電池組參數(shù)按時間順序循環(huán)檢測 。 （ 3） 電池老化監(jiān)測與落后電池甄別 ， 對其補充充電 。 （ 4） 電池組 / 單電池充電壓監(jiān)測與超常判斷 ， 報警 。 （ 5） 網(wǎng)絡化設計 ， 遠程管理和集中監(jiān)控 。 （ 6）模塊化結(jié)構(gòu) ， 便于安 裝維護 。 15 系統(tǒng)預期誤差的評估 本文設計的的車載網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對電動車動態(tài)下進行數(shù)據(jù)采集的，由于諸多外界因素的影響，不可避免的會造成系統(tǒng)誤差。 (1) 電流測量誤差。本系統(tǒng)采用的是霍爾是電流計，二而電機內(nèi)的電流產(chǎn)生的磁場會對霍爾電流計產(chǎn)生影響，這樣就導致了測量誤差的出現(xiàn)。 (2) 電池溫度誤差。電池的溫度是通過溫度傳感器采集信號的，電動車在運行過程中會出現(xiàn)顛簸，可能導致傳感器松動等不良測量狀態(tài)的出現(xiàn)，這樣測量的電池溫度就可能不全是電池溫度，采集的信號也可能是溫度信號。 (3) 電機溫度誤差。電機的溫度測量采用的信號放大 裝置， PT100 是很敏感的電阻。稍微遇到信號干擾就會出現(xiàn)測量值的偏差，比如噪聲等造成的。 (4) 車速測量誤差。車速測量采用的是脈沖采集法，由于每個脈沖方波的時間很短，對信號的采集控制就不容易控制。如 T 1T 2 圖 脈沖方波圖 如每五個周期的脈沖進行一次采集，系統(tǒng)就可能以脈沖的上沿線和下沿線難以辨別，就會造成采集時間長度 T1和 T2的不同，這樣就會存在一個周期的誤差。 16 第三章 基于 STM32F103VB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設計 本章重點介紹 STM32F103VB 系列芯片以及其外圍電路的設計。 選擇STM32F103VB 芯片的原因是因為這個芯片帶有 CAN 借口和 ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而汽車上幾乎所有的端口都是 CAN 接 口。而且此采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)多塊高壓電池的狀態(tài)進行動態(tài)檢測，并不需要轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)就可以直接從 CAN 端口輸送到儀表上面顯示出來。具體可以檢測的內(nèi)容如查電池是否有故障，某一塊電池低電壓而且可以找出是哪一塊電池出現(xiàn)了異常。這就是本采集系統(tǒng)的意義所在。 車載網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 的硬件主要分為微控制器最小系統(tǒng)、信號采集電路、電源電路、光電隔離電路、信號巡檢電路、 CAN 通信和串口通信以及擴展 EEPROM 電路 。如圖 31所示： 電 壓 信 號電 流 信 號溫 度 信 號S T M 3 2 F 1 0 3 B串 口 通 信C A N 通 信巡 檢 電 路電 源 模 塊單 體電 壓 信 號擴 展E E P R OM 圖 31電池管理系統(tǒng)硬件框圖 STM32F103VB 簡介 STM32F103VB是一 個完整的系列，其成員之間是完全地腳對腳兼容，軟件和功能上也兼容， 其 功能 描述如下。 （ 1） 內(nèi)核： ARM 32位的 Cortex?M3 CPU： 最高 72MHz工作頻率；在存儲器的 0等待周期訪問時可達 ； 單周期乘法和硬件除法。 （ 2） 存儲器：從 64K或 128K字節(jié)的閃存程序存儲器；高達 20K字節(jié)的 SRAM。 （ 3） 時鐘、復位和電源管理： ～ I/O引腳；上電 /斷電復位 (POR/PDR)、可編程電壓監(jiān)測器 (PVD)； 4～ 16MHz晶體振蕩器 ； 內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)校17 的 8MHz的 RC振蕩器內(nèi)嵌帶校準的 40kHz的 RC振蕩器；產(chǎn)生 CPU時鐘的 PLL；帶校準功能的 32kHz RTC振蕩器 （ 4） 低功耗：睡眠、停機和待機模式； VBAT為 RTC和后備寄存器供電 （ 5） 2個 12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 1μs 轉(zhuǎn)換時間 (多達 16個輸入通道 )： 轉(zhuǎn)換范圍： 0至 ； 雙采樣和保持功能 ； 溫度傳感器 （ 6） DMA： 7通道 DMA控制器；支持的外設：定時器、 ADC、 SPI、 I2C和 USART （ 7） 多達 80個快速 I/O端口： 26/37/51/80個 I/O口，所有 I/O口可以映像到 16個外部中斷；幾乎所有端口均可容忍 5V信號 （ 8） 調(diào)試模 式：串行單線調(diào)試 (SWD)和 JTAG接口 （ 9） 多達 7個 定時器： 3個 16位定時器，每個定時器有多達 4個用于輸入捕獲 /輸出比較 /PWM或脈沖計數(shù)的通道和增量編碼器輸入； 1個 16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機控制的 PWM高級控制定時器； 2個看門狗定時器 (獨立的和窗口型的 )；系統(tǒng)時間定時器： 24位自減型計數(shù)器。 （ 10） 多達 9個通信接口：多達 2個 I2C接口 (支持 SMBus/PMBus)多達 3個 USART接口 (支持 ISO7816接口， LIN， IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制 )；多達 2個 SPI接口 (18M位 /秒 )； CAN接口 ( 主動 )； USB 。 （ 11） CRC計算單元， 96位的芯片唯一代碼 （ 12） ECOPACK174。封裝 這些豐富的外設配置，使得 STM32F103VB產(chǎn)品容量增強型系列微控制器適合于多種應用場合： （ 1） 電機驅(qū)動和應用控制 （ 2） 醫(yī)療和手持設備 （ 3） PC游 戲外設和 GPS平臺 （ 4） 工業(yè)應用： 可編程控制器 (PLC)、變頻器、打印機和掃描儀 （ 5） 警報系統(tǒng)、視頻對講、和暖氣通風空調(diào)系統(tǒng)等 18 STM32F103VB 電源模塊的設計 電源電路的設計 STM32F103VB系列的供電方案如下： （ 1） VDD=： VDD引腳為 I/O引腳和內(nèi)部調(diào)壓器供電。 （ 2） VSSA， VDDA = ：為 ADC、復位模塊、 RC振蕩器和 PLL的模擬部分提供供電。使用 ADC時， VDDA不得小于 。 VDDA和 VSSA必須分別連接到 VDD和 VSS。 （ 3） VBAT=～ ：當關閉 VDD時， (通過內(nèi)部電源切 換器