CAN總線協(xié)議的動力電池報文采集與解析*

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(上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海 201620)

引 言

電動汽車車用鋰電池發(fā)展十分迅速，預(yù)計未來幾年動力電池將進(jìn)入大量回收的階段，因此需要考慮電池的回收、處理和再利用等問題。電動汽車的動力電池組壽命終結(jié)后，仍具有約70%～80%的容量，因此可將動力電池梯次利用于風(fēng)光儲能、智能電網(wǎng)的削峰填谷等[5]。本文設(shè)計了一套采集報文的裝置，采用主控制芯片M2+CAN控制器，通過對電動汽車退役電池進(jìn)行再測試，從BMS中獲取與單體電池性能相關(guān)的報文，根據(jù)協(xié)議進(jìn)行報文解析、計算，可篩選出一致性較好的電池,有助于提高能源利用率。

1 CAN總線報文采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用上海山意微電子技術(shù)有限公司研發(fā)的國產(chǎn)32位M2芯片作為主控制器，M2芯片有兩個UART接口，但不帶CAN接口，采用NXP公司的一種獨立CAN控制器SJA1000，可在BasicCAN和PeliCAN兩種協(xié)議下工作。其中BasicCAN支持CAN2.0A協(xié)議，PeliCAN工作方式支持CAN2.0B協(xié)議。CAN收發(fā)器采用TJA1050[1]。整體結(jié)構(gòu)硬件模塊包括：MCU主控制器、CAN 控制器、CAN 收發(fā)器，接收的報文可通過PC上位機(jī)軟件窗口觀察到。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 CAN總線報文采集系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

上海山意微電子技術(shù)有限公司自主研發(fā)的M2芯片，是基于MIPS架構(gòu)的32位精簡指令型處理器，擁有128 KB的Flash存儲空間、2個UART/LIN通信串口、1個SPI通信接口、8路20位ADC采集模塊以及豐富的I/O接口，溫度穩(wěn)定性高，滿足使用需求。本文采用的SJA1000CAN控制器是NXP公司的一種獨立CAN控制器，可在BasicCAN和PeliCAN兩種協(xié)議下工作。其中PeliCAN工作方式可接收擴(kuò)展幀，29位標(biāo)識符。由于本文采集的是電池管理系統(tǒng)發(fā)出的CAN報文，均為擴(kuò)展幀、數(shù)據(jù)幀，因此選擇PeliCAN工作方式。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 SJA1000驅(qū)動程序設(shè)計

CAN控制器SJA1000內(nèi)部包含128個8位的寄存器，不帶有MCU處理器，相當(dāng)于是主控制器M2的外部RAM空間，主控制器可通過讀、寫時序?qū)JA1000的寄存器進(jìn)行訪問和設(shè)置，因此首先要對訪問時序進(jìn)行軟件編程，實現(xiàn)主控制器與CAN控制器之間的通信，本文采用Intel模式下的交流時序。

寫時序圖如圖2所示。

圖2 寫時序圖

WR_SJA_REG(volatile int ADD,volatile int DATA){

/*初始化引腳*/

MemoryWrite32(SPI_CTL_REG,0x8);

//關(guān)閉SPI復(fù)用引腳功能

MemoryWrite32(U1_CTL0_REG,0x10);

//關(guān)閉UART引腳功能

MemoryWrite32(A_SDV2P_CTL_REG,0x0);

//關(guān)閉SD引腳功能

int p,i;

/*芯片I/O口引腳配置，單向I/O SEG口引腳配置*/

RT_GDR_BIT_OFF(0); //SEG 20 ==GDR 0 ALE

RT_GDR_BIT_ON(1); //SEG 21 ==GDR 1 RD

RT_GDR_BIT_ON(2); //SEG 22 ==GDR 2WR

RT_GDR_BIT_ON(3); //SEG 23 ==GDR 3CS

RT_IOCTL_Set32(0xFFFF); //設(shè)置I/O口為輸出

RT_GDR_BIT_ON(0); //ALE HIGN

for(i=0;i<5;i++);

ADD=ADD<<6;

RT_GPIO_Write32(ADD); //M2向SJA1000發(fā)送地址

for(i=0;i<5;i++);

RT_GDR_BIT_OFF(0); //ALE LOW

for(i=0;i<5;i++);

RT_GDR_BIT_OFF(3); //CS LOW

for(i=0;i<5;i++);

RT_IOCTL_Set32(0xFFFF); //設(shè)置I/O口為輸出

for(i=0;i<5;i++);

RT_GDR_BIT_OFF(2); //WR LOW

for(i=0;i<5;i++);

DATA=DATA<<6;

RT_GPIO_Write32(DATA); //M2向SJA1000發(fā)送數(shù)據(jù)

p=RT_GPIO0_Read32();

p=p>>6;

p=p&0Xff;

for(i=0;i<5;i++);

RT_GDR_BIT_ON(2); //WR HIGN

for(i=0;i<5;i++);

RT_GDR_BIT_ON(3); //CS HIGN

for(i=0;i<5;i++);

return p;

}

由于脈寬保持時間需要保持大于一定的時間，且時序的正確配合十分重要，程序中利用for延時不同的時間來實現(xiàn)。同時，采用的GPIO口為復(fù)用引腳，需先關(guān)閉本控制芯片的SPI、UARTt和SD的復(fù)用引腳功能。同理，讀交流時序如圖3所示。

圖3 讀時序圖

讀時序與寫時序都是主控制器鎖定目標(biāo)寄存器，但讀操作是直接把SJA1000寄存器的值讀取回來，當(dāng)先向SJA1000發(fā)送完地址以后，把8路A/D總線I/O口設(shè)置為輸入后，寄存器中的數(shù)據(jù)就會自動發(fā)送回來。一次讀時序包括由主控制器向SJA1000發(fā)送寄存器地址后，把A/D數(shù)據(jù)地址總線設(shè)置為輸入，讀回數(shù)據(jù)。讀時序程序如下：

RD_SJA_REG(volatile int ADD){

……

//向SJA1000發(fā)送地址部分內(nèi)容和寫時序部分相同

RT_IOCTL_Set32(0x0); //設(shè)置GPIO為輸入

for(i=0;i<5;i++);

RT_GDR_BIT_OFF(1); //RD LOW

for(i=0;i<5;i++);

p=RT_GPIO1_Read();

p=p>>6;

p&=0xff;

for(i=0;i<5;i++);

RT_GDR_BIT_ON(1); //RD HIGN

for(i=0;i<5;i++);

RT_GDR_BIT_ON(3); //CS HIGN

for(i=0;i<5;i++);

return p;

}

讀、寫時序程序設(shè)計好以后，接下來的對寄存器的配置、SJA1000的初始化、報文的接收和發(fā)送都是基于此通信時序進(jìn)行相關(guān)寄存器的配置，因此讀寫時序程序的設(shè)計十分重要。為測試此讀寫時序的正確性，采用邏輯分析儀進(jìn)行觀察檢測，得到的讀時序圖和寫時序分別圖4和圖5所示。

圖4 邏輯分析儀讀時序

圖5 邏輯分析儀寫時序

3.2 初始化SJA1000

CAN控制器控制SJA1000進(jìn)行報文的接收和發(fā)送之前，需要在復(fù)位模式下對SJA1000進(jìn)行初始化操作[2]。主要操作內(nèi)容包括配置時鐘分頻寄存器、操作模式、設(shè)置驗收代碼寄存器和驗收屏蔽寄存器，設(shè)置通信波特率等。初始化程序如下：

int Sja1000_Init(){

int s,a;

s=ENTER_RSTMODE(); //置位復(fù)位請求和單濾波模式

s=TEST_COMMUNI_REG();

//寫入測試寄存器,查看讀寫功能是否正確

s=SET_CLOCK_REG(0xC8);

//選擇Pelican模式，禁能外部時鐘引腳Intel模式

s=SET_ACCEPT_FILTER(0x00,0x00,0x00,0x01,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF);//屏蔽寄存器，設(shè)為無關(guān)，可接收所有報文

//當(dāng)屏蔽位為1不濾波，屏蔽為位0就表示可以導(dǎo)通相同ID

s=SET_BAUDRATE(ByteRate_125k);//選擇波特率

WR_SJA_REG(REG_OCR,0x1A);

//輸出控制寄存器——正常輸出模式

WR_SJA_REG(REG_INTENABLE,0x1D);

//設(shè)置中斷，接收和發(fā)送中斷

//喚醒中斷使能，數(shù)據(jù)溢出中斷使能，錯誤報警中斷使能，

//發(fā)送中斷使能，接收中斷使能

a=RD_SJA_REG(REG_CONTROL);

a&=0xfe;

WR_SJA_REG(REG_CONTROL,a);

//退出復(fù)位模式，進(jìn)入工作模式，寄存器末尾功能位置0

return 0;

}

本文中需要接收的報文是擴(kuò)展幀、數(shù)據(jù)幀，因此選擇PeliCAN工作方式支持CAN2.0B協(xié)議。幀信息占一個字節(jié)，幀ID分配4個字節(jié)，使用29位，幀數(shù)據(jù)分配8個字節(jié)，設(shè)置單濾波模式，設(shè)置4個驗收代碼寄存器ACR和4個驗收屏蔽寄存器AMR，下面以一個寄存器為例，驗收代碼寄存器定義如下：

位76543210功能AC.7AC.6AC.5AC.4AC.3AC.2AC.1AC.0

驗收屏蔽寄存器AMR定義如下：

位76543210功能AM.7AM.6AM.5AM.4AM.3AM.2AM.1AM.0

ACR的每一位和AMR一一對應(yīng)，驗收屏蔽為0表示相關(guān)，即只接收和驗收代碼寄存器幀ID相同的報文。反之為1表示無關(guān)，即接收所有報文。本文中接收到的報文是把來自科列的報文導(dǎo)入到上位機(jī)軟件USB_CAN TOOL中發(fā)送出來，所以設(shè)置為FF，接收所有報文即可。

3.3 接收CAN 報文

一條完整的報文包含三部分內(nèi)容：幀信息、幀ID、幀數(shù)據(jù)。幀信息解釋了幀的格式和數(shù)據(jù)長度；標(biāo)準(zhǔn)幀ID為11位，擴(kuò)展幀ID為29位標(biāo)識符；幀數(shù)據(jù)寄存器中保存報文的數(shù)據(jù)。收到的報文CAN核心模塊把串行位流轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，經(jīng)過驗收濾波器存儲在FIFO中。M2主控制器通過中斷輪詢的方式訪問SJA1000。當(dāng)接收到報文后產(chǎn)生接收中斷，M2從緩沖區(qū)讀取報文，并釋放接收緩沖區(qū)，繼續(xù)根據(jù)中斷情況讀取下一條報文。其CAN 報文接收程序如下：

while(1){

int0=RT_SEG_Read(1);

WR_SJA_REG(REG_INTENABLE,0x01);

//設(shè)置M2接收中斷使能

if(int0==0){ //模擬下降沿觸發(fā)

a=RD_SJA_REG(REG_INTERRUPT);

//讀取中斷寄存器只有讀寄存器不會置位

if(a&0x01){

b=RD_SJA_REG(REG_RXBuffer1);

length=b&0x0f;

if((b&0x40)!=0x40){//數(shù)據(jù)幀=為遠(yuǎn)程幀

h=0;

for(i=0;i<4;i++){

f=RD_SJA_REG(REG_RXBuffer5-i);

g=f<<(8*i);

h+=g;

}

h=h>>3;//幀ID信息

puts(“ID:”);

puts(xtoa(h));

for(i=0;i

//數(shù)據(jù)擴(kuò)展幀從buffer6標(biāo)準(zhǔn)幀到buffer4

c=RD_SJA_REG(REG_RXBuffer6+i);

puts(xtoa(c));

}

……

WR_SJA_REG(REG_COMMAND,0x04);//釋放緩沖區(qū)//

}

}

3.4 發(fā)送CAN報文

M2通過判斷在這之前的最后一次發(fā)送是否成功，若成功則將需要發(fā)送的報文通過A/D總線發(fā)送到發(fā)送緩沖區(qū)，發(fā)出發(fā)送命令后，將報文發(fā)出。在硬件上，當(dāng)按下Key鍵時，進(jìn)行報文發(fā)送。其CAN 報文發(fā)送程序部分如下：

key=RT_SEG_Read(0); //按鍵key值寫入寄存器數(shù)據(jù)//

if(key==0){

e=RD_SJA_REG(REG_STATUS);

e&=0x04;

if(e==0x04){ //CPU可以向發(fā)送緩沖區(qū)寫信息

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer1,0x05);

//發(fā)送報文的信息

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer2,0x00);

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer3,0x01);

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer4,0x42);

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer5,0x42);

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer6,0x42);

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer7,0x42);

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer8,0x42);

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer9,0x42);

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer10,0x42);

WR_SJA_REG(REG_TXBuffer11,0x42);

WR_SJA_REG(REG_COMMAND,0x03);//發(fā)送命令

}

}

4 實例驗證

本文主要使用的是報文的接收功能。以接收為實例，硬件連接完成后，將在與M2配套的編譯環(huán)境Camel Studio中編寫的軟件程序下載到M2中，同時通過使用CAN分析儀來模擬BMS給該報文采集裝置發(fā)送報文。

通過CAN分析儀提供的上位機(jī)軟件USB_CAN TOOL模擬BMS發(fā)送CAN 報文，在USB_CAN TOOL上位機(jī)軟件中導(dǎo)入所需發(fā)送的報文，本文摘取報文的部分信息，導(dǎo)入的報文信息如圖6所示，報文信息來自科列公司提供的BMS的報文和報文解析協(xié)議。在PC機(jī)上打開Camel Studio軟件，將編譯后的CAN報文接收程序下載到M2中，運(yùn)行后即可接收到USB_CAN TOOL發(fā)出的報文。實物連接圖如圖7所示。

圖6 導(dǎo)入報文信息內(nèi)容

圖7 實驗實物連接圖

由CAN 分析儀發(fā)出的報文信息導(dǎo)入后如圖8所示。由M2和其上位機(jī)軟件Camel Studio接收到的報文及顯示如圖9所示。

圖8 CAN 分析儀發(fā)出報文信息顯示

圖9 M2上位機(jī)軟件Camel Studio接收報文顯示

報文接收到以后，可根據(jù)電池廠家提供的協(xié)議進(jìn)行翻譯，本質(zhì)上是匹配ID后對數(shù)據(jù)按照協(xié)議規(guī)則進(jìn)行計算。報文解析如圖10所示。

圖10 報文解析

由此可以得到電池的電壓值，根據(jù)這些值計算出單體電池的直流內(nèi)阻。本實驗的電池工況是先讓電池處于開路狀態(tài)，電流為0 A，測得電壓值U1，再進(jìn)行5 A放電，測得電壓值為U2，時間為T2。從而可進(jìn)一步計算T2時刻下電池的直流內(nèi)阻，直流內(nèi)阻=(U1-U2)/5。如圖11所示。

圖11 單體電池直流內(nèi)阻分布圖

圖11的橫坐標(biāo)表示電池的序號，一共是84節(jié)電池。縱坐標(biāo)表示電池的直流內(nèi)阻，單位為歐姆。由圖可知，有5顆電池的直流內(nèi)阻值偏大，其余電池整體的一致性比較穩(wěn)定。用此方法同時也可測得不同時間、不同工況下的直流內(nèi)阻值。

結(jié) 語

本文根據(jù)接收退役電池組的BMS發(fā)出的CAN報文，設(shè)計了一套主控制芯片M2+SJA1000的裝置，并為該裝置芯片之間實現(xiàn)通信和控制芯片接收CAN報文設(shè)計編程，成功實現(xiàn)報文的獲取。同時如需對驗收濾波寄存器進(jìn)行相應(yīng)的配置，只需要在復(fù)位模式下在軟件程序中修改相關(guān)寄存器值。