（通信与信息系统专业论文）基于以太网和mstp的多通道电池化成系统的设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着通信产业的迅速发展以及信息化技术的日益普及，消费类电 子产品大量涌现，再加上电动汽车的迅猛发展，使得二次电池得广泛的应用。 然而，单体二次电池容量低，不能满足工业领域对电池性能要求，必须成组使 用才能发挥性能。因此电池组内单体电池的一致性成为影响电池组性能的重要 因素。电池化成系统就是通过分容用来提高电池组内单体电池一致性的设备。 电池化成系统通过上位机向下发送运行方案，下位机运行方案并将运行过 程中的电压、电流、容量、时间等信息传递给上位机，上位机实时显示监控数 据并记录重要数据实现对电池的分容。 在大批量电池化成生产中，电池分容的精度取决于电池化成系统的实时性 及通信效率。耳前，国内电池化成设备领域起步较晚，普遍存在着实时性差、 通信效率低下的问题，不能满足多通道大批量电池生产的要求。针对以上问题， 本论文设计出一种基于以太网和m s t p 的电池化成系统，在综合考虑到成本与 性能的基础上解决了上述问题。其主要内容如下： ( 1 ) 分析了系统的主要功能，完成了系统的功能描述，针对传统主从式架 构的不足提出了新的基于以太网和m s t p 的双网络架构设计，通过对比分析证 明了双网络架构的优势； ( 2 ) 从电池化成系统的成本和性能等多方面考虑，完成了系统的硬件平台 设计，包括芯片的选型以及各模块硬件电路设计，以以太网口模块代替传统的 串口模块与上位机通信，解决了通信瓶颈； ( 3 ) 成功将m s t p 链路层协议嵌入下位机通信网络，并通过长期调试使其 稳定运行，充分发挥串口通信效率；针对电池化成系统特定环境提出定制的以太 网帧格式；为提高通信效率，在应用层提出主从与事件触发相结合的通信方式； ( 4 ) 采用模块化和层次化的思想完成了化成中转板软件下位机软件设计。 使得以后的程序调试和程序应用扩展更加方便、效率。 该电池化成系统经过测试，a d 测量精度能达到要求，在每箱1 2 8 通道的前 提下，能达到每通道o 8 s 的数据上传周期，符合上位机设定方案中最小记录时 间间隔l s 的标准。经过长期高负荷的测试，证明该系统实用性、可靠性、稳定 性良好，能够达到大批量规模生产的需要。 关键词：二次电池，电池化成，m s t p ，以太网 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a st h et e l e c o m m u n i c a t i o n si n d u s t r y sr a p i dd e v e l o p m e n ta n dt h e i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi s b e c o m i n g m o r ea n dm o r ep o p u l a r , a n dc o n s u m e r e l e c t r o n i c sp r o d u c t s e m e r g ei nl a r g en u m b e r s ，c o u p l e dw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f e l e c t r i cc a r s ，t h er e c h a r g e a b l eb a t t e r yi sw i d e l yu s e d h o w e v e r , t h ec a p a c i t yo fs i n g l e c e l lr e c h a r g e a b l eb a t t e r yi sl o w , c a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fb a t t e r yp e r f o r m a n c e i ni n d u s t r i a lf i e l d ，m u s tb eu s e di ng r o u pi no r d e rt oi m p r o v ep e r f o r m a n c e s ot h e c o n s i s t e n c yo fs i n g l ec e l lb a t t e r yb e c o m eai m p o r t a n tf a c t o rf o rt h ep e r f o r m a n c eo f t h eb a t t e r yg r o u p t h eb a t t e r yf o r m a t i o ns y s t e mi sae q u i p m e n tt oi m p r o v es i n g l ec e l l b a t t e r y sc o n s i s t e n c yi nb a t t e r yg r o u pb yt h ew a y o fc a p a c i t yg r a d i n g b a t t e r yf o r m a t i o ns y s t e ms e n d sd o w no p e r a t i o ns c h e m eb yu p p e rc o m p u t e r , t h e l o w e rc o n t r o l l e re x e c u t es c h e m ea n du p l o a dt h ev o l t a g e ，c u r r e n t , c a p a c i t y , t i m ea n d o t h e ri n f o r m a t i o nt op ci nt h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s s ，t h ep cd i s p l a yt h er e a l - t i m e d a t ai nt h eu s e ri n t e r f a c ea n dr e c o r dt h ei m p o r t a n td a t af o rb a t t e r yc a p a c i t yg r a d i n g i nt l l em a s sp r o d u c t i o no ft h eb a t t e r y , t h ep r e c i s i o no fb a t t e r yc a p a c i t yg r a d i n g d e p e n d so ni n s t a n t a n e i t ya n dc o m m u n i c a t i o ne f f i c i e n c yo ft h eb a t t e r yf o r m a t i o n s y s t e m a tp r e s e n t , t h ed o m e s t i cb a t t e r y f o r m a t i o ne q u i p m e n tf i e l ds t a r t sl a t e r , u n i v e r s a le x i s tt h ep r o b l e mo fi x o rr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n s ，l o we f f i c i e n c y , c a nn o t m e e tt h er e q u i r e m e n t so fm u l t ic h a n n e l l a r g eq u a n t i t i e sb a t t e r yp r o d u c t i o n i nv i e wo f t h ea b o v ep r o b l e m s ，t h i st h e s i sd e s i g n sab a t t e r yf o r m a t i o ns y s t e mb a s e do ne t h e m e t a n dm s t p , s o l v e st h e s ep r o b l e m sd e p e n do nt h ec o s ta n dp e r f o r m a n c e t h em a i n c o n t e n t sa l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a n 出s i s 慨m a i nf u n c t i o n s o ft h es y s t e m ，c o m p l e t e dt h e f u n c t i o n a l d e s c r i p t i o no ft h es y s t e m ，b e c a u s eo ft h ed e f i c i e n c yo ft h e t r a d i t i o n a lm a s t e r - s l a v e s y s t e ma r c h i t e c t u r e ，w ed e s i g nas y s t e ma r c h i t e c t u r eb a s e do ne t h e m e ta n dm s t p d o u b l en e t w o r k ，c o m p a r a t i v ea n a l y s i ss h o w st h ea d v a n t a g eo ft h en e ws y s t e m a r c h i t e c t u r e ( 2 ) c o n s i d e r i n gt h eb a t t e r yf o r m a t i o ns y s t e m sc o s ta n dp e r f o r m a n c ea n do t h e r u 武汉理工大学硕士学位论文 a s p e c t s ，w ec o m p l e t eo ft h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g n ，i n c l u d i n gt h es e l e c t i o no fc h i p a n dt h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i t , u s ee t h e m e ti n t e r f a c em o d u l et or e p l a c et h e t r a d i t i o n a ls e r i a lp o r tm o d u l et oc o m m u n i c a t ew i t hp c ，s o l v e st h ec o m m u n i c a t i o n b o t t l e n e c k ( 3 ) s u c c e s s f u l l yt r a n s p l a n tm s t p l i n k l a y e rp r o t o c o l t ot h eu n d e rl a y e r c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , a n dm a k ei tr u ns t e a d yt h r o u g ht h el o n g t i m ed e b u g g i n g ， s u f f i c i e n tp l a ys e r i a lc o m m u n i c a t i o ne f f i c i e n c y ；a i ma tt h eb a t t e r yf o r m a t i o ns y s t e m s p e c i f i ce n v i r o n m e n t , w ed e s i g nac u s t o m i z e de t h e r n e tp r o t o c o lf l a m ef o r m a t ；i n o r d e rt oi m p r o v et h ec o m m u n i c a t i o ne f f i c i e n c y , w ed e s i g n e dam a s t e r - s l a v ea n de v e n t t r i g g e rc o m b i n e dc o m m u n i c a t i o nm o d ei nt h ea p p l i c a t i o nl a y e r ( 4 ) c o m p l e t et h et r a n s i tb o a r da n dt h em a s t e rc o n t r o lb o a r ds o r w a r ed e s i g n d e p e n do nm o d u l a ra n dh i e r a r c h i c a li d e a t h ep r o g r a md e b u g g i n ga n dt h ea p p l i c a t i o n e x p a n d i n gb e c o m em o r ec o n v e n i e n t , e f f i c i e n c y a c c o r d i n gt ot h et e s to ft h eb a t t e r yf o r m a t i o ns y s t e m , t h ea dm e a s u r e m e n t a c c u r a c yc a nr e a c ht h er e q u i r e m e n t o nt h ep r e m i s eo f t h ee q u i p m e mc o n s i s t so f12 8 c h a n n e l s ，t h es y s t e mc a na c h i e v e0 8 su p l o a dp e r i o di ne a c hc h a n n e l ，m e e tt h e m i l l i m u mr e c o r d i n gt i m ei n t e r v a l1ss t a n d a r di np cs e t t i n gs c h e m e a f t e ral o n g p e r i o do fh i 。g hl o a dt e s t , i ti sp r o v e dt h a tt h es y s t e mi sp r a c t i c a l ，r e l i a b l e ，g o o d s t a b i l i t y , c a l lm e e tl a r g es c a l ep r o d u c t i o nn e e d s k e yw o r d s ：r e c h a r g e a b l eb a t t e r y , b a t t e r yf o r m a t i o ns y s t e m ，m s t p , e t h e m e t 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 对我国而言，汽车污染日益严重，尾气、噪音等对环境的破坏到了必须加 以控制和治理的程度，特别是在一些人口稠密、交通拥挤的大中城市情况变得 更加严重。在这种形势下对新能源汽车的需求日益强烈。在汽车行业的未来发 展方向上，电动汽车和油电混合动力汽车正成为一个明显的趋势。其原因主要 在两个方面：其一是因为能源的有限性，化石燃料都是有限的能源；其二是人 们的环境保护意识和各国政府的排放要求日益提高。尽管目前混合动力汽车还 受到高成本的制约，但从长远看，混合动力车的购买者会越来越多，生产成本 将随着生产规模的扩大而降低。全球主要国家陆续出台新能源汽车支持政策， 以推动新能源汽车快速发展 i - 2 1 。 就我国来说，政府陆续出台了多项政策、措施，以支持新能源汽车行业的 发展。近日，由工信部组织制订的 节能与新能源汽车发展规划( 2 0 11 年至2 0 2 0 年) 已经初步完成，目前已经进入了向相关部委征求意见的阶段，国务院审核 通过后，规划就将在国内实施 3 1 。 因此，作为电动汽车的能源动力电池的发展得到了社会的广泛关注。然而， 由于超大容量的电池的研制还处在试验阶段，存在着大电流放电会温度升高的 隐患。作为动力电源的电池大多需要成组使用。因此要求电池在成组时需要在 特性上有较好的一致性 4 1 。电池化成分容检测设备是电池生产过程中的关键设 备之一，直接关系到电池的质量和产量。最初的人工检测生产效率低而且存在 着检测准确度不高，人为干扰因素多等诸多弊病，因而不能适应大规模生产的 要求。自动化技术和现代信息技术在现代工业控制领域得到了广泛的应用，将 这两项技术运用到电池检测中不仅能够很好的提高生产效率和准确度，而且能 够使生产出来的电池分组得到很好的一致性，有利于电池的成组使用。 虽然电池化成分容检测设备有着极其广泛的发展前景，但是国内比较稳定 成熟的系统特别是使用方便的大容量电池组的检测设备还非常少。目前国内化 成检测设备的应用和开发现状存在着以下几点问题： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 设备操作复杂，不利于生产。 ( 2 ) 系统稳定性差。 ( 3 ) 设备节能性差和利用率低。 ( 4 ) 设备检测精度低。 ( 5 ) 测试数据传输速率低。 特别是数据传输速率方面成为制约电池测试行业发展的瓶颈。在工业化大 批量电池化成生产过程中，系统通信实时性是个很重要的因素，每通道的数据 刷新率将直接影响上位机记录分容数据的频率，从而影响后期电池分选成组的 精度。而电池组内单体电池的一致性是决定整体电池组使用寿命的关键因素， 因此保证了系统通信的实时性和稳定性才能提高电池化成设备的性能。 此外，在电池的化成过程中，对充放电电压和电流的要求都非常地严格， 一旦出现过充和过放的现象将会对电池造成很大的损害，可能出现膨胀，甚至 爆炸。因此，研发一种自动化程度高，能够适合大规模电池生产、稳定可靠且 安全的电池化成检测设备成为了众多的电池生产企业共同的需要，有着非常广 阔的市场前景i s l 。 1 2 相关领域国内外研究现状 电动汽车的发展推动了成组动力电池的应用，从而唤起了电池大规模生产的 迫切需求，也极大的刺激了电池测试设备的快速发展。与国际同类产品相比， 我国电池测试行业起步较晚，9 0 年代时除少数企业从日本、德国引进进口测试 设备以外，绝大多数企业都采用粗劣和落后的技术甚至人工检测对电池进行化 成测试，只能实现作坊式生产。随着电池的使用量快速增长，传统的电池测试 设备已经无法满足市场的需求。2 l 世经初，电池厂家纷纷开始大量引进国外先 进的电池测试方法和测试设备，这对于我国的电池测试行业有很高的参考价值 和研究价值。在德国迪卡龙公司、美国a r b i n 仪器公司、必测公司、m a c c o r 公 司这些厂家引的测试设备系统稳定性、可靠性、测试精度、产品合格率都很高， 但是价格极其昂贵，难以大批量应用于电池生产和测试1 6 引。 随着各大机构对电池测试行业技术的投入，以及国内公司、科研院所对国外 先进理论方案研究的深入，我国的电池测试行业进入了一个飞速发展时期，先 后涌现出了许多优秀的电池测试设备开发商，如宁波拜特测控技术有限公司、 广州擎天实业有限公司、武汉兰电电子有限公司、深圳新威尔多电子设备有限 武汉理工大学硕士学位论文 公司等等【9 】。这些公司生产的设备基本上能够满足现阶段的生产测试需求，但 是与国外产品仍的很大的差距，需要不断的创新发展。 国内电池化成设备开发商基本上都完成了电池化成系统数据实时显示、通道 启动、停止、暂停，数据分容分析的功能。然而，由于他们大多采用基于r s 4 8 5 现场总线的两层式结构，或者带中转板的三层式结构，为了不引起串口收发冲 突，轮询周期一般设定的远大于数据往返时间。这种设计架构，使得多通道数 据采集时，每通道数据刷新率很低，或者在保证数据刷新率的前提下，单个上 位机能接入的通道数很少。还有的设备开发商数据通信模式采用c a n 总线的网 络方案，但是这种方案是基于竞争的不确定性的m a c 层机制，同样难以满足大 规模测试生产环境下的高负荷数据的传输。数据的刷新率最终影响电池的分容 精度，从而影响电池组的寿命。因此，一个低成本、高实时性的电池化成测试 系统成为现阶段大批量电池生产测试的基本要求。 1 3 本文的主要研究工作 本论文主要从研究电池化成系统的背景、目的和意义出发，分析国内外电池 化成系统的发展现状，分析了设备通信效率与电池分选成组的关系，剖析电池 化成系统的功能和结构，在研究国内传统的化成设备通信结构的基础上，提出 基于以太网和m s t p 的新型结构，并详细说明了中转板( 通信网关) 和下位机 ( 主控板) 的硬件结构和软件结构的设计方案，论文主要研究工作通过每一章 进行了详细的说明。 第l 章主要介绍了课题研究的背景、目的和意义，分析了电池化成系统在国 内外的发展现状，总结了当前电池化成系统中存在的主要问题和攻克难点，并 介绍了本文的主要研究工作。 第2 章首先对电池化成系统的功能进行了详细的分析；然后对目前国内企业 普遍采用的电池化成系统的结构进行了分析，并提出了传统主从式架构存在的 缺陷，在此基础上，根据电池化成系统的功能，提出以太网与m s t p 结合的结 构，分析其具体工作原理：接着，对整个系统所采用的开发平台进行了介绍； 最后，对实现该架构采用的关键技术m s t p 协议的基本原理进行了介绍。 第3 章针对系统的结构和功能提出了电池化成系统的详细硬件设计方案。具 体包括中转板( 通信网关) 和下位机( 主控板) 的硬件设计，为满足主控板1 6 个通道同时采集的要求，在考虑到成本的基础上主控板设计了端口扩展电路和 武汉理工大学硕士学位论文 多路模拟开关电路。 第4 章主要介绍了本电池化成系统的通信协议设计，具体包括通信网关与主 控板之间的链路层协议m s t p ，通信网关与上位机( p c ) 之间的专用以太网协 议，以及整个系统采用的应用层协议。 第5 章对系统硬件和协议设计的基础上对电池化成系统的软件进行了设计， 采用模块块和层次化的思想指导中转板和主控板软件设计，然后逐步求精，剖 析了各模块工作原理。使得程序具体设计、后期调试和维护更加方便。 第6 章对电池化成系统进行了整体测试，通过系统的测试证明了本系统能够 达到的各项功能，并通过分析数据证明了本架构对通信效率的改进。 第7 章对全文工作进行了总结，提出了该电池化成系统中存在的不足，并对 下一步研究工作进行了展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电池化成系统总体设计方案 2 1 电池化成系统功能分析 电池化成系统按照其最终用途分类，可分为电池化成和电池分选两个部分。 “化成 即“转化而成 之意，极板化成是指利用化学和电化学反应使极板 转化成具有电化学特性的正、负极板的过程p o l 。化成以前的极板其物质的主体 部分相同，原则上不存在正、负极板之分。以铅酸蓄电池为例，化成之前的极 板不存在铅酸蓄电池电化学反应的所需的正极活性物质二氧化铅。负极活性物 质为海棉状铅。虽然在极板结构、工艺添加剂方面形成了正、负极板之分，但 此时却不具备铅酸蓄电池放电的正、负极板条件。而通过化成这一过程，使得 准备形成正极板的极板铅膏物质转化成为以二氧化铅为主体的物相结构而形成 正极板同时使得准备形成负极板的极板铅膏转化成以海绵状铅为主体的物相 结构而形成负极板。化成的具体步骤其实就是根据电池材料参数所进行的特定 时间和电流大小的恒流充电以及搁置操作。虽然步骤简单，但化成是电池制造 很关键的一道工序，其转化过程的好坏将直接影响到电池成型后的寿命和性能。 电池分选就是根据电池生产过程所表现出来的电压，电流，容量，内阻等特 性将性能相近的电池分类。虽然电池的生产原料和工艺大致相同，但是最终生 产出来的电池在循环寿命和电性能上多少存在着差异。在电池成组使用以后， 前期微小的差异对电池组的使用不会造成多大影响，但随着电池组不断的循环 使用，个体电池的差异越拉越大，个别性能很差的电池将严重影响电池组的寿 命【l 。所以分选是电池生产过程中不可缺少的一步工序。电池分选主要有以下 几种方法： ( 1 ) 按电池放电容量分类：对电池充电达到饱和后，以恒定电流放电到设 定的终止电压，计算放电过程容量，将容量比较接近的电池分在一组。这种分 类方法具有过程简单直观的特点，比较适用于电池生产厂商对大批量的电池进 行质量测试。它的缺点是容量一致的电池可能在其它性能参数上有较大差别。 ( 2 ) 按电压变化曲线分类：这种分类方法又叫作按电压曲线拟合进行分类， 电池的电压是最重要的参数之一，这种按充放电过程中电压变化的曲线分类是 武汉理工大学硕士学位论文 一种既可靠又直观的方法，具有较好的数据运算能力，但是这种方法要求充放 电电流一致，电压测量准确。 ( 3 ) 按电压平台比率分类：可以预定一个电压值作为电池平台电压，电池 在放电过程中达此电压时，释放的电量与整个放电过程中释放的总能量比值称 为电压平台比率。电池按电压平台比率分类可以把容量和内阻一致的电池分为 一组。比按容量分类更具优势。 ( 4 ) 按充放电效率分类：电池能释放出电量与所充入的电量的比值称为电 池充放电效率。通常情况下放电容量总是小于充电容量，这个容量差间接体现 出电池内部电阻和气体的产生情况。这种分类难点在于如何决定充电结束，欠 充和过充都直接影响充放电效率的计算。 ( 5 ) 按内阻分类：内阻( 包括极化内阻和欧姆电阻) 也是电池一个很重要的参 数，影响充放电效率和工作寿命。电池极化内阻测量困难且不便于批量检测， 相反欧姆电阻一般比较稳定而且易于测量。 为了达到电池化成系统的功能，同时考虑到该电池检测系统是提供给生产工 人使用，因此在设计系统时要考虑到系统操作和维护的简单性。电池化成系统 的结构模型如图2 1 所示。 图2 1系统总体结构图 6 武汉理工大学硕士学位论文 上位机( 计算机) 要实现的功能有：对所有充放电通道集中管理，实时显示 设备工作数据，并将记录数据保存于上位机电脑中，便于后期分组选配。可以 通过上位机编辑方案并下发，具体方案包括恒流充电、恒压充电、恒流放电、 搁置、循环。通道方案和记录数据存储在计算机硬盘中，存储数量高达上万条 并可以随时调用查看。可随时控制通道停止，暂停，恢复或启动新方案。 下位机( 设备) 要实现的功能有：接收上位机下发的运行方案，储存并实施 方案，根据方案设定的参数调节电池充放电电流，实时采集每通道的电压，电 流信息，计算容量并上传给上位机。 通信是连接上位机与下位机的纽带，包括上位机与下位机的通信以及下位机 内部通信两个部分。具体通信的方案应该从系统的可扩展性、抗干扰性、成本 和效率多方面考虑。 2 2 总体架构设计 本节对系统通信架构进行了讨论，先剖析了传统主从式架构的具体结构和通 信模式，针对其不足提出以太网与m s 厂r p 结合的双层网格架构。 2 2 1 传统主从式架构 r s 4 8 5 是物理层的一个接口标准，因r s 4 8 5 接口具有良好的抗噪声干扰性， 长的传输距离和多站能力等优点使其成为在现场总线中广泛应用的标准1 1 2 i 。 传统的电池化成通信结构就是基于r s 4 8 5 总线设计的。由于上位机( p c ) 的串口是基于r s 2 3 2 标准的，因此需要在p c 与设备之间添加一个r s 2 3 2 到 r s 4 8 5 的双向转换器。由于r s 2 3 2 抗干扰性能很差，此转换器应当尽量接近上 位机的接口。 系统整体框架图如图2 2 所示。上位机与中位机以及中位机与主控板之间都 采用基于r s 4 8 5 的半双工双向通信。由于r s 4 8 5 总线是半双工的，所以在同一 时间点只允许一个节点发送数据，其它节点只能被动的接受数据。在传统的化 成系统中采用以下模式：在上层网络中，采用上位机作为主站，众多中转板为 从站的一主多从模式：在设备内部，也采用中转板作为主站，众多主控板作为 从站的一主多从模式。 7 武汉理工大学硕士学位论文 l i 化成柜l i i 化成柜3 2 图2 - 2 传统主从式架构 在这种模式下上位机以一定的轮询周期依次向中转板l - - 3 2 请求数据，每 个中转板收到请求后再以一定的轮询周期依次向主控板l 一8 请求数据，中转板 收集齐8 个主控板的响应后打包上传给上位机。如图2 3 所示，在通信正常的情 况下，上位机从发出一个请求到收到一个中转板回复所用的时间为： t t o t a = l + 8 ( 2 + 乙2 ) + i ( 2 - - 1 ) 式中。为上位机向中转板发送请求所用的时间，：为中转板向主控板发送请 求所用的时间，乙。为主控板向中转板回复数据所用的时间，。为中转板向上 位机回复数据所用的时间。这些时间都为数据传输的时间，鉴于系统响应时间 很短，所以不考虑进来。在考虑到抗干扰的条件下，串口波特率不宜设置太高， 本系统采用的是5 7 6 0 0 b p s 。以传送实时数据报文为例，协议中请求报文的长度 为1 2 b y t e ，主控板传给中转板的回复报文的长度为2 6 b y t e * 1 6 c h + 1 3 b y t e ( 协议头) 8 武汉理工大学硕士学位论文 = 4 2 9 b y t e ，中转板传给上位机的回复报文长度为2 6 b y t e 1 2 8 e h + 1 3 b y t e ( 协议头) - 3 3 4 1 b y t e 。再考虑到串口传送每字节实际包含起始位、停止位、校验位 ，实际传输效率按8 0 算。则算得 k = ( 1 2 + 8 ( 1 2 + 4 2 9 ) + 3 3 4 1 ) b y t e 8 ( 5 7 6 0 0 ) 8 0 b s = 1 1 9 s ( 2 2 ) 时间 l 上位机中转板主控板 图2 3 传统响应方式 通过以上计算得出以下结论：上位机在通信正常的条件下获取一个箱的数 据需要1 1 9 s 的时间，轮询一周，获取3 2 个箱的数据就需要3 8 s 的时间。假如 其中某个主控板通信出错，则相当于漏过此轮询周期，3 8 s 后上位机才能再次访 问该主控板。另一方面，上位机难以把握轮询周期，即判断超时的时间。若设 置过大，造成刷新率过大，浪费带宽；若设置过小，很容易发生冲突，使整个 网络阻塞。中转板和主控板之间也存在着同样的问题。整个系统之所以这么慢 的响应速率，究其根本，其瓶颈在于上层网络中基于4 8 5 总线的信道容量太低， 难以满足大批量生产测试的要求。另一方面，基于4 8 5 的主从方式缺少必要的 错误纠正和恢复机制。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 以太网与m s t p 结合的双网络架构 化成柜l化成柜3 2 图2 _ 4 基于以太网和m s 肿的架构 如图2 _ 4 所示，为了解决基于串口r s 4 8 5 信道容量问题，以及解决主从式 网络中缺乏错误恢复机制，本文上层网络采用以太网，下层网络采用基于r s 4 8 5 的m s 肿令牌总线协议。 以太网采用带冲突检测的载波帧听多路访问( c s m c d ) 机制。以太网中 节点都可以看到在网络中发送的所有信息【1 3 - 1 8 1 。 以太网的工作过程如下g 当以太网中的一台主机要传输数据时，它将按如下步骤进行： ( 1 ) 监听信道上是否有信号在传输。如果有的话，表明信道处于忙状态， 就继续监听，直到信道空闲为止。 ( 2 ) 若没有监听到任何信号，就传输数据。 l o 一 一；i；ii一 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 传输的时候继续监听，如发现冲突则执行退避算法，随机等待一段时 间后，重新执行步骤1 ( 当冲突发生时，涉及冲突的计算机会发送会返回到监听 信道状态。注意i 每台计算机一次只允许发送一个包，一个拥塞序列，以警告 所有的节点) 。 ( 4 ) 若未发现冲突则发送成功，所有计算机在试图再一次发送数据之前， 必须在最近一次发送后等待9 6 微秒( 以10 m b p s 运行) 。 所有的这些m a c 层机制都己由上位机和中转板以及以太网交换机的网卡 芯片实现，再加上以太网为全双工通信，因此上层服务只需要尽管发送数据即 可，不用担心冲突。 在下层网络中，采全主的分布式令牌网络，每个节点均占有控制网络和占 用带宽的权利。而且m s t p 协议具有丢弃坏死节点，自动发现新节点，以及在 发生错误重新产生令牌维持收发秩序的一套机制，从最大程度上保证了系统的 实时性，而且提高了信道带宽的利用率，不会因单个节点的问题而影响整个系 统的运行。 考虑到具体的应用，电池化成系统通信数据可分为两大类：周期性数据和 突发性数据。周期性数据就是实时数据，具体包含各通道电压、电流、容量、 运行时间、运行状态等信息。在一般情况下，上位机会不停索取这些信息。一 方面用来实时显示在人机界面，提供给用户监控：另一方面上位机会存储这些 信息中的重要数据，作为后期电池分组选配的理论依据。突发性数据就是由用 户操作所产生的请求，比如联机、下发方案、读写系统精度系统等等。突发数 据优先级应高于周期性数据。 基于以上分析，整个系统可以采用以下策略：中转板在不收到上位机数据 请求时就主动向主控板发送广播，请求周期数据，由于以太网优良的特性和巨 大的带宽，中转板每收到一个主控板的回复就可以直接转发给以太网，而不需 要等到收集齐所有主控板回复再打包上传；中转板在收到上位机突发数据请求 时，向下广播请求，令牌轮转一周，中转板收集齐各主控板响应后打包上传给 上位机，然后再恢复到请求周期数据。而对于上位机来说，要作少量调整，收 到实时数据时要组包显示，这样从上位机看来，仍然是与一个箱在打交道。 周期性数据的响应过程如图2 5 所示。 中转板与主控板通信的时间主要花费在串口传输数据上面，由于中转板采 用带s p i 接口的网卡芯片，m c u 通过s p i 串行接口向网卡芯片写数据来启动发 甘南。 图2 5 周期性数据的响应过程 问。恐一嘉m 控板淼撕螂蝴 谶凇蒜间为 。 黻张报j 为例，五羞篙罴磊奢；李主控板回复给( 中2 - - 转4 板) 武汉理工大学硕士学位论文 报文长度为1 1 0 字节，中转板回复给上位机报文长度为7 8 2 字节。代入公式算得： t o m = ( 1 l + 7 8 2 ) 7 5 0 0 0 0 + ( 1 3 + 9 8 + 8 1 l o ) 8 1 ( 5 7 6 0 0 8 0 ) = 1 6 8 m s ( 2 5 ) 时间 i 上位机中转板主控板 ! 趋- 一 二二= = = 玉! 姹 1 “ 1 “ 1 p a u r r 彳 图2 - 6 突发性数据的响应过程 考虑到中转板收到上位机请求后不一定能马上把请求转发给主控板，只有 等到拥有令牌才能发送。所以实际响应时间应该在1 6 8 m s 到9 6 8 m s 之间。由于 突发性数据基本上都由人工操作产生，对响应时间要求不是很高，所以这样也 能满足实际生产的要求了。 2 3 系统开发平台 还 系统的开发方法如图2 7 所示。 图2 7 系统的开发方法 基于d s p i c 3 3 的开发板 武汉理工大学硕士学位论文 m p l a b 集成开发环境( i d e ) 是一款免费的集成工具组合，用来对采用 m i c r o c h i pp i c 和d s p i c 单片机的嵌入式应用进行开发。m p l a bi d e 作为3 2 位应用程序运行在m sw i n d o w s 系统上，其使用方便并且包含一系列免费软件 可进行快速应用开发和强大的调试。m p l a bi d e 也可作为独立的统一图形用 户界面，支持其他m i c r o c h i p 和第三方的软件及硬件开发工具0 9 - 2 q 。 由于 m p l a bi d e 对所有工具都呈现相同的用户界面，因此无论是工具之间的切换， 还是免费软件模拟器向硬件调试和编程工具的升级均非常便捷。 在使用m p l a b 集成开发环境对d s p i c 3 3 系列进行开发之前还要安装对应的 c 3 0 编译器。m p l a bc 3 0c 编译器是一个全功能的优化编译器，可将标准的 a n s ic 程序翻译为d s p i c 汇编语言源代码。同时它还支持许多命令行选项和语 言扩展，可以对d s p i c 器件的硬件功能进行完全访问，以便更好地控制代码的生 成【2 2 1 。 在进行在线编程时采用m p l a bi c d2 仿真器。m p l a bi c d2 是一款功能 强大而成本低廉的运行时开发工具，通过r s 2 3 2 或高速u s b 接口与p c 主机 相连1 2 4 - 2 5 】。该工具基于闪存p i cm c u ，可用于开发本系列及其他p i cm c u 和 d s p i cd s c 。m p l a bi c d2 使用了闪存器件中内建的在线调试功能。该功能结 合m i c r o c h i p 的在线串行编程( i n c i r c u i ts e r i a l p r o g r a m m i n g t m ，i c s p t m ) 协议， 可在m p l a b 集成开发环境的图形用户界面上提供成本效益很高的在线闪存调 试。这使设计人员可通过设置断点、单步运行以及对变量、c p u 状态以及外设 寄存器进行监视的方法实现源代码的开发和调试。其全速运行特性可对硬件和 应用进行实时测试。m p l a bi c d2 还可用作某些p i c 器件的开发编程器。 运用此开发平台对系统进行开发的一般步骤如下： ( 1 ) 在m p l a bi d e 中设置好系统采用的芯片以及仿真器： ( 2 ) 开发、编辑系统c 源文件； ( 3 ) 编译、链接生成d e b u g 文件并通过仿真器烧入开发板： ( 4 ) 通过设置断点等方式在线调试程序，如发现问题则跳到第2 步； ( 5 ) 若没有问题则编译、链接生成r e l e a s e 文件： ( 6 ) 将r e l e a s e 文件烧入开发板，撤除仿真器运行。 2 4m s t p 协议概述 m s t p 的全称是主从令牌传递数据链路协议。这个协议使用e i a 4 8 5 物理 武汉理工大学硕士学位论文 层提供的服务。e i a 4 8 5 的相关条款作为参考包括在本标准中。以下是本协议对 硬件的要求瞵l ： ( 1 ) 通用异步收发器，能够传送和接收带有一个终止位而没有奇偶校验位 的八比特数据。 ( 2 ) 驱动器能被禁止的e i a - 4 8 5 收发器。 ( 3 ) 具有5 毫秒或更高精度的计时器。 m s t p 使用令牌来控制对总线网络的访问。当一个主节点持有令牌时，它 可以发送一个数据帧。作为对主节点的请求的应答，主从节点都可以发送数据 帧应答。最多在发送了n 眦i n f o 嚣个数据帧( 和等待了所有期待的应答) 后， 持有令牌的主节点应将令牌传递给环网中的下一个主节点i 珈2 9 1 。 一般来说，处理令牌丢失比处理一个环中存在两个令牌的问题要容易，因 为一个简单的超时操作就可以检测到令牌丢失，然后有序地进行令牌的重新产 生和环的恢复过程。如果多个令牌存在，就可能发生冲突，这将扰乱通信，降 低信道吞吐量，但是却不会严重到使令牌丢失。在这种情况下可能会导致持 续的吞吐率降低。因此，本协议规范的令牌环网维护规则的原则是宁愿令牌丢 失，也不愿产生第二个令牌。 令牌帧是不确认的，这是因为如果令牌帧是需要确认的话，而恰恰确认被 丢失了，那么令牌的发送者将重新发送令牌，从而有可能导致两个令牌的存在。 所以当一个节点传出令牌之后，它所做的是监听目的节点是否已开始使用令牌。 这种情况的用法定义如下：当主节点发送完令牌帧的最后8 位后，应在t i 啪g 。d m 训 时间内从网络中接收到n m i 。姚个字节。 绝大多数令牌总线网，如a r c n e t ，对请求和应答不作区分：两者用同一 种类型的帧传输，但是发送节点只有持有令牌时才能发送。由于m s t p 规定从 节点不能持有令牌，因此必须提供一种使从节点返回应答的方法。同时为了简 单起见，对于主节点作出应答也采用相同的方法。 当一个主节点发送了一个期待应答的请求给一个m s f i p 节点之后，它应该 在等待了回送的应答之后才能释放令牌。如果应答节点是主节点，它可能返回 一个应答；或者传回一个应答推迟帧，表示真正的应答将在它持有令牌之后再 发送。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章首先对电池化成系统的功能进行了描述，然后根据系统的功能需要提 出了两种不同架构，并对这两种架构的通信效率进行了分析对比，确定了本文 所采用的架构，接着对系统开发环境进行了简要介绍，并列出系统开发的步骤， 最后介绍了m s t p 链路层协议的原理，为后续章节具体介绍系统的软硬件及协 议设计打下了基础。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章电池化成系统硬件设计 3 1 中转板硬件设计 3 1 1 整体功能模块 中转板是连接上位机与主控板的桥梁，它实现的主要功能是协议转换。它 采用4 8 5 接口与下面8 个主控板构成m s t p 网络，另一方面使用网络接口与其 它中转板以及上位机构成以太网网络。 它主要由以下几个模块构成：主控制器、网络接口模块、r s 4 8 5 模块、外接 存储器、拨码开关和指示灯。如图3 1 所示。 图3 1中转板硬件框图 对于上位机来说，与它打交道的是设备，它是看不到中转板下面到底有几 个主控板的，因此一个中转板就代表一个箱。由于要存储箱号、生产日期、最 大通道数、最高电压等设备信息，所以中转板外接了一个存储器。为保证存储 数据的稳定性，