基于I2C 總線的電池管理系統(tǒng)通信方法

王壯鵬，肖兵，劉落實(shí)，歐奔

1. 華南理工大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510641

2. 廣州智維電子科技有限公司，廣東 廣州 510006

I2C 通信的設(shè)計(jì)初衷是解決一塊電路板上不同芯片的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題。然而在電池管理系統(tǒng)中，動(dòng)力電池包通常由一定數(shù)量的電池串聯(lián)與并聯(lián)而成。例如540 V 電壓的電池包可能由幾十節(jié)電池組串聯(lián)而成。所以，管理不同電池組的模擬前端芯片（analog front end，AFE）具有不同的參考“地”電壓[1]。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通常采用光耦、變壓器或者數(shù)字隔離器的方式來(lái)解決。這些方法存在3 點(diǎn)不足之處：1)光耦只能通過(guò)二極管單向傳輸信號(hào)，其傳輸速度慢，且易老化；2) 變壓器無(wú)法實(shí)現(xiàn)微小化，存在電磁泄漏；3)每個(gè)接口都需要數(shù)字隔離器，其花費(fèi)高，無(wú)擴(kuò)展性。

市面上不乏使用其他隔離技術(shù)的芯片和儀器。例如，低功耗雙向I2C 隔離芯片——ISO1540和二位雙向I2C 電平轉(zhuǎn)換器——PCA9306。ISO 1540 芯片內(nèi)部有2 條隔離式雙向通道，分別應(yīng)用于時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線，每條信號(hào)線通過(guò)單通道數(shù)字隔離器進(jìn)行隔離，可實(shí)現(xiàn)I2C 總線上的電平位移。但由于每個(gè)芯片都需要獨(dú)立電源或穩(wěn)壓芯片提供工作電壓，所以使用該芯片的隔離電路較復(fù)雜，且成本高昂。PCA9306 器件具備2 組連接I2C 總線的漏極開(kāi)路端口，轉(zhuǎn)換器打開(kāi)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)端口間的雙向數(shù)據(jù)交互。但該器件的2 個(gè)轉(zhuǎn)換端口需共用同一個(gè)參考“地”，所以該器件并不適用于電池管理系統(tǒng)；但其電平遷移的思路具有啟發(fā)意義。

本設(shè)計(jì)為一種電平遷移的通信方法，減少了ISO1540 隔離芯片和獨(dú)立電源的使用，使電路更加簡(jiǎn)單實(shí)用；同時(shí)也克服了PCA9306 器件的2 個(gè)轉(zhuǎn)換端口需要使用同一接地端的局限性，建立了主控制器和不同參考電位的模擬前端芯片之間的通信。

1 I2C 電平遷移電路設(shè)計(jì)方法

有別于普通I2C 并聯(lián)通信方式，本設(shè)計(jì)使用若干場(chǎng)效應(yīng)管及電阻搭建起電平遷移模塊；再將該模塊連接到相鄰AFE 的時(shí)鐘線（supply chain logistics，SCL）和雙向數(shù)據(jù)線（serialdata，SDA）上，并采用芯片間雙線級(jí)聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)不同參考電平的AFE 之間的雙向通信；最后根據(jù)I2C 多主機(jī)工作模式原理，定義通信數(shù)據(jù)包，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的程序?？傮w通信思想如圖1 所示。

圖1 電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

電路設(shè)計(jì)的核心是電平遷移模塊。該模塊由2 個(gè)N 溝道場(chǎng)效應(yīng)管（field effect transistor，F(xiàn)ET）、1 個(gè)P 溝道FET 和4 個(gè)電阻連接而成。在低電平芯片向高電平芯片通信的過(guò)程中，Q1、R1、R2 起著重要作用。Q1 柵極接Vcc1，低電平芯片的信號(hào)由Q1 的源極輸入，漏極輸出，信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻R1 被高電平芯片接收。通過(guò)調(diào)節(jié)R1 和R2 阻值的比例，使高電平芯片的接收端口處于合適的工作電平。

為了實(shí)現(xiàn)高電平芯片向低電平芯片的通信，首先需要一個(gè)N 溝道FET 和一個(gè)P 溝道FET 以及電阻R3、R4 來(lái)限制電流。然后將高電平芯片的輸出端口與Q2 的柵極相連，信號(hào)從Q2 的柵極輸入，漏極輸出，流入Q3 的柵極，再?gòu)腝3 的漏極輸出給低電平芯片的接收端。最后連接Q2 源極與Vcc2，Q3 源極與低電平芯片的“地”，實(shí)現(xiàn)電平遷移模塊的雙向通信。

電平遷移模塊原理圖如圖2 所示。

I2C 總線在半雙工模式下可實(shí)現(xiàn)多主機(jī)級(jí)聯(lián)的交互通信。該總線有SDA 和SCL 兩條線路通過(guò)限流電阻接到電源電壓。2 條總線接地視為邏輯0，接高電平視為邏輯1，連接在總線上的各個(gè)器件以此為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信[2]。I2C 總線級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 I2C 級(jí)聯(lián)通信示意

將每組電池包（4 節(jié)1 組）即其對(duì)應(yīng)的AFE 用若干組I2C 總線SDA、SCL 和電平遷移模塊按圖4的形式連接起來(lái)，得到完整的通信系統(tǒng)電路連接圖。

在電池管理系統(tǒng)中，可供選擇的AFE 種類較多，本設(shè)計(jì)采用ATmega32HVB 單片機(jī)作為AFE。該芯片具有雙線串行接口（two-wire serial interface,TWI），可以接收和發(fā)送信息，支持多主機(jī)通信[3]。在同一組總線上，最多可以連接128 個(gè)該芯片，具有良好的擴(kuò)展性。TWI 硬件規(guī)范與I2C 相同，但有別于普通I2C 通信僅能采用“主-從”通信模式，TWI 支持多主通信，而多主通信比主從方式更適合電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用需求[4]。

該系統(tǒng)的通信過(guò)程可分為無(wú)沖突通信和有沖突通信[5]。正常狀態(tài)下，總線上的每個(gè)控制芯片會(huì)按照周期次序，輪流向主控制器發(fā)送電池狀態(tài)信息。例如第3 號(hào)芯片先向空閑總線發(fā)送數(shù)據(jù)包（“開(kāi)始”指令、數(shù)據(jù)接收地址與讀寫(xiě)控制符、第3 個(gè)電池組的狀態(tài)信息、“停止”指令），然后2 號(hào)芯片通過(guò)總線接收到此信息，再將該信息通過(guò)總線發(fā)送給1 號(hào)芯片，最后傳遞給主控制器。這種通信方式為無(wú)沖突通信。

圖4 通信系統(tǒng)I2C 電路連接

若在第3 號(hào)芯片向總線發(fā)送狀態(tài)信息的同時(shí)，第5 號(hào)芯片向主控制器發(fā)出的故障信息已傳遞到與3 號(hào)芯片相連的SDA6 線上，此時(shí)需要I2C 總線對(duì)這2 種信息進(jìn)行仲裁[6]，優(yōu)先級(jí)更高的故障信息會(huì)贏得仲裁并占領(lǐng)總線。當(dāng)3 號(hào)芯片監(jiān)聽(tīng)到SDA6 線上的信息與發(fā)送信息不一致時(shí)，會(huì)停止發(fā)送狀態(tài)信息，轉(zhuǎn)而接收SDA6 線上的故障信息并將其發(fā)送到SDA5 線上；隨后故障信息經(jīng)過(guò)電平遷移電路傳遞到SDA4 線上，并被2 號(hào)芯片接收；2 號(hào)芯片再將接收到的故障信息發(fā)送到SDA3 線上，故障信息經(jīng)過(guò)電平遷移電路到達(dá)SDA2 線上后，被1 號(hào)芯片接收；最后1 號(hào)芯片重復(fù)2 號(hào)芯片的操作，將故障信息傳遞給主控制器。這種通信方式為有沖突通信[7]。

該設(shè)計(jì)有2 大優(yōu)點(diǎn)：1)最小電路模塊僅采用3 個(gè)SO223 封裝的小場(chǎng)效應(yīng)管及若干電阻，其成本比帶有隔離集成芯片的電路的成本低很多。減少隔離芯片的使用，不僅能降低系統(tǒng)成本，而且能簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。2) 該系統(tǒng)采用的TWI 雙線級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)支持多主通信。當(dāng)有任意電池組出現(xiàn)故障時(shí)，主控制器能很快接收到故障模塊發(fā)出的報(bào)錯(cuò)信息。多主工作模式相比于需要主機(jī)一直查詢從機(jī)狀態(tài)的主從模式電路延遲更低，更加高效[8]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

完成通信部分的設(shè)計(jì)后，需要最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，并分析調(diào)試結(jié)果。本設(shè)計(jì)通過(guò)間接調(diào)試電池監(jiān)測(cè)芯片的監(jiān)測(cè)功能，分析監(jiān)測(cè)芯片的輸入輸出數(shù)據(jù)，來(lái)評(píng)估通信系統(tǒng)的性能。

整體測(cè)試平臺(tái)的具體示意圖如圖5 所示，分為上位機(jī)、連接器、下位機(jī)3 層。上位機(jī)是普通PC，運(yùn)行MATLAB、自動(dòng)代碼生成器、CAN 通信程序；連接器為JTAG 仿真器和USB-CAN 分析儀，分別負(fù)責(zé)程序下載和上、下位機(jī)的通信；下位機(jī)硬件為電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)搭載本文設(shè)計(jì)的通信方法，運(yùn)行著底層驅(qū)動(dòng)、基礎(chǔ)功能代碼、類BASIC 解釋器等模塊。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)示意

主控制器F28M35 與電池管理芯片ATmega32-HVB 的通信通過(guò)TWI 實(shí)現(xiàn)[9]。首先完成ATmega32-HVB 相關(guān)的調(diào)用接口，然后在F28M35 上編寫(xiě)調(diào)用程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)ATmega32HVB 的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。整體實(shí)物圖如圖6 所示。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

打開(kāi)開(kāi)關(guān)，使用示波器對(duì)I2C 總線波形進(jìn)行觀測(cè)，可以看到電平遷移電路的輸入與輸出端電壓波形相同，幅值不同，如圖7 所示。

在圖7(a)中，圖像所示波形為電池監(jiān)控芯片2 中的總線波形（量程10 V/格）。因?yàn)楫?dāng)總線為“1”時(shí)，可以看到總線對(duì)地電壓為20 V；而電池監(jiān)控芯片2 的對(duì)地參考電壓為16 V。我們測(cè)出當(dāng)總線為“0”時(shí)，總線對(duì)地電壓為16 V。在圖7(b)中，圖像所示波形為電池監(jiān)控芯片1 中的總線波形（量程2 V/格）。測(cè)量總線電壓結(jié)果為：總線為“1”時(shí)，對(duì)地電壓為4.5 V；總線為“0”時(shí)，對(duì)地電壓為0 V。以上結(jié)果符合I2C 總線標(biāo)準(zhǔn)，滿足系統(tǒng)正常通信的必要條件[10]。為充分驗(yàn)證系統(tǒng)是否正常工作，還需重點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)接收的電池狀態(tài)是否與實(shí)際相符[11]。

圖7 I2C 總線輸入輸出電壓波形

先通過(guò)主控制器在CCS 開(kāi)發(fā)環(huán)境中設(shè)置斷點(diǎn)，通過(guò)監(jiān)視窗口來(lái)觀察采集到的電池狀態(tài)信息，具體數(shù)據(jù)如圖8 所示。然后使用CAN 數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件記錄電池電壓信息，具體數(shù)據(jù)如圖9 所示。

圖8 主控制器電壓信息采集

圖9 數(shù)據(jù)可視化監(jiān)控程序界面

將1 號(hào)和2 號(hào)模擬前端芯片的電壓采集值讀出并轉(zhuǎn)換，然后和萬(wàn)用表測(cè)出的電壓值以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1 所示。

表1 檢測(cè)數(shù)據(jù)可信度對(duì)比

本實(shí)驗(yàn)只對(duì)其中2 個(gè)芯片分別串聯(lián)了4 節(jié)電池，因此部分檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示為0。觀察結(jié)果可知，主控制器采集結(jié)果和監(jiān)控軟件的顯示結(jié)果是相同的，且與萬(wàn)用表的結(jié)果相比，誤差也較?。ā?.05 V以內(nèi)），該結(jié)果間接證明了通信功能的正確性與穩(wěn)定性。

I2C 通信協(xié)議有著占用資源少、易用靈活等特點(diǎn)，所以該通信方式受到了十分廣泛應(yīng)用[12]。本設(shè)計(jì)就是采用這種通信方式實(shí)現(xiàn)了主控制器和6 個(gè)電池監(jiān)測(cè)芯片之間的通信。通過(guò)測(cè)量芯片輸入輸出口的對(duì)地電壓，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期。同時(shí)該通信系統(tǒng)有較好的可拓展性，可滿足更多芯片間的通信。

3 結(jié)論

1)本文首先設(shè)計(jì)了一種使用場(chǎng)效應(yīng)管等電子元件搭建的最小電平遷移電路模塊，然后用多組該模塊與ATmega32HVB 芯片以I2C 總線級(jí)聯(lián)的方式進(jìn)行連接，搭建出完整的電平遷移電路。

2)該電路不僅能解決電池管理系統(tǒng)中，模擬前端芯片（AFE）之間的通信問(wèn)題，而且具有電路簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其結(jié)果表明主控制器可實(shí)時(shí)監(jiān)控電池組電壓，電壓監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值相符，電路工作正常，與預(yù)期效果相符。