基于TMS320F2812电池管理系统的以太网通信

张小荣,冯国胜,邱文辉，何 攀

(石家庄铁道大学 a.电气与电子工程学院，b.机械工程学院,河北 石家庄 050043)



基于TMS320F2812电池管理系统的以太网通信

张小荣a,冯国胜b,邱文辉a，何 攀a

(石家庄铁道大学 a.电气与电子工程学院，b.机械工程学院,河北 石家庄 050043)

电池管理系统(BMS)是混合动力汽车的重要组成部分。为确保电池性能良好，延长电池使用寿命，需要对电池各个参数进行精确采集，实时掌握电池的工作状态。设计了一种基于TMS320F2812的以太网通信系统硬件平台，嵌入TCP/IP协议栈，开发DSP系统中的RTL8019AS设备驱动程序，采用“服务器-客户端”模式，将采集的电池参数通过以太网控制器RTL8019AS与PC机建立通信，从而实现远程终端实时掌握电池的工作状态，以保障车辆的最优化运行。

电池管理系统；TMS320F2812；TCP/IP协议栈；以太网控制器RTL8019AS

车载动力电池不仅是制约电动汽车规模发展的技术瓶颈，而且是电动汽车价格居高不下的关键因素。因此，动力 BMS 的性能对混合动力汽车使用成本、节能和安全性至关重要。 动力电池作为混合动力汽车的能源之一， 为确保电池组的良好性能以及延长电池的使用寿命， 充电站对其运行状态下的各个参数进行实时地跟踪和控制将显得尤为重要。 由于车辆运行地点的不确定性，人们希望从任何地方任何时间可联机快速获取车辆BMS的各项信息，高性价比的以太网可以实现远距离数据传输和分布式运行，传输速度快，作为上位机的PC机只要能连接互联网(无需与采集系统处于同一局域网)，就可以在任何时间和地点采集并处理数据，实现远程监测和实时控制。

1 系统总体架构

本文基于TCP/IP协议栈进行以太网通信，通信网络系统采用典型的侧重数据传输的四层结构，由下而上分别为：网络接口层、网络层、传输层、应用层[1]。系统硬件主要包含以TMS320F2812为核心的DSP数据采集系统和作为通信纽带的以太网控制器RTL8019AS。TMS320F2812EVM-III有16路ADC输入通道接口(输入范围0 V～3.3 V)，采集信号经由ADC模块转换成数字信号，送入数字信号处理器中处理，在以太网控制器中对数据进行封装(各层协议对其添加相应报头)，最终形成以太网帧的格式在以太网驱动程序的作用下，在物理媒介中传输，同时，作为上位机的PC机通过底层驱动程序接受数据，完成数据的发送和接收的过程。系统硬件架构如图1所示。

2 采集系统硬件设计

2.1 电压采集电路设计

电池管理系统中，电压是其工作状态的最直观的表现，影响其大小的因素有环境温度、剩余电量以及电机驱动力的大小。事实上，同种型号的动力电池往往由于一些生产工艺的原因或者在运行过程中环境的不同或多或少存在一些差异导致电压值不尽相同，这种差异对整个电池组的影响很大，会造成某些电池过充电或者过放电，从而极大的影响电池的使用寿命。所以，为了更好的掌握动力电池的工作情况，需要对电压值进行实时监测。DSPF2812的A/D输入电压范围是0 V～3.3 V[2]，而实际使用的电池电压多半都是12 V，远远高于A/D输入电压，为此需要对采集到的电池电压进行调理。即将实际的电压通过电阻分压的方式衰减到检测芯片可以接受的范围。也就是本设计所采用的电阻分压采集法。该方法是将同一电池组的各单体的电压以同一点为基准，利用精密电阻进行电阻分压，将电压衰减到一定的范围内，再通过各节点电压依次相减得到相对应的电池单体电压[3](见图2)。

该电路的缺点是误差累积，比如U1所测的电压误差为BT1、BT2、BT3、BT4四块电池误差之和。但是其电路结构简单、成本较低且寿命长。对于精度要求不高的系统可考虑采用此种方法。本设计即采用此种方法。

2.2 电流采集电路设计

电流信号是电池过放电或过流的判断依据，其准确度和采样速度会影响电池均衡系统的控制。目前常用的电流检测方式：互感器、霍尔元件电流传感器和分流器[4]。本设计采用霍尔元件电流传感器，简单直观。综合考量电路实际运行的电流大小以及采样精度，选择CS100EK电流传感器对整个电池组电流进行采样。CS100EK传感器的供电使用双电源+15 V和-15 V，为此供电电源选用A0515S-2W，此电源模块输入5 V电压，输出双电压+15 V和-15 V，精度满足CS100EK的输入要求。CS100EK原边额定输入电流100 A，测量范围-200 A～+200 A。副边额定输出电压4 V。测试实验平台为12块标压为12 V的电池串联，串联电压144 V，负载为15 kW的无刷直流电动机，采样电路输入电流输出电压范围均符合采样要求。电流采样电路如图3所示。连接电流传感器时应注意在CS100EK1上方有箭头标注了电流的参考方向，实际方向和参考方向一致时，所测电流为真实值。电机的转速随着油门开度的变化而波动，电流与电机转速成正比变化。采用上位机实时显示电压和电流的动态变化，显示结果如图4 所示。

2.3 以太网硬件接口设计

以太网控制器RTL8019AS高度集成，具有二重和功率下降特性，不仅可以拓展带宽，同时避免了由于频道争夺引起的多路存取协议问题[5]。在本设计中可以将RTL8019AS内部分为远程DMA和本地DMA两个通道，其中远程DMA实现主处理器对以太网控制器的操作，而本地DMA完成以太网控制器与以太网之间的数据传输。RTL8019AS的工作方式由TMS320F2812的扩展I/O口代替跳线器对其进行初始化配置。RTL8019AS与TMS320F2812的接口电路已经内置在TMS320F2812EVM-III开发板中，无需再进行调理。

3 系统软件设计

3.1 TCP/IP协议栈

以太网最典型的应用形式是Ethernet+TCP/IP。国际标准化组织(ISO)制定了开放式系统互连(OSI)参考模型，将通信会话需要的各个过程划分为 7个相对独立的功能层次，适合在理论上解释互联网通信机制，与OSI参考模型不同，TCP/IP模型为四层结构，更侧重于互连设备之间的数据传输，而不是严格的层次划分[6]。

系统的软件可以看做操作系统的功能扩展，RTL8019AS驱动程序扩展了操作系统与网络的联系，而TCP/IP协议增强了网络通信能力。

3.2 协议实现

3.2.1 物理层对以太网控制器的配置

RTL8019AS共有四页寄存器组，每页寄存器组有16个寄存器。要实现F2812与PC机的网络通信，就必须对RTL8019AS的各个寄存器进行配置。地址为00h的CR控制命令寄存器，用来选择寄存器页，控制远程DMA操作，内存空间为1个字节。

TXP置1时发送数据包，发送完毕自动清零。

PS1、PS0用来指定寄存器页。

主要配置内容：

1)Reg0c=0xe2，芯片处于停止模式

2)Delay_MS(10)，延时10 ms

3)配置第0页寄存器

RCR，不接收数据包，处于监视模式；TCR处于look back模式；设定网卡的内部环路自检为外部发送方式；清除所有中断标志位；中断屏蔽寄存器清0，禁止中断；配置DCR为16位DMA方式；确定FIFO门限。

4)配置第1页寄存器

清RBCR0与RBCR1；配置RCR、TCR清0；数据配置寄存器与中断屏蔽寄存器清0。

5)继续切换配置第0页集寄存器

设置芯片正常模式，建立连接；启动芯片工作；清除中断标志位。

3.2.2 网络接口层 ARP协议的实现

ARP地址解析协议建立IP地址与底层的MAC地址之间的动态映射。接收以太网帧，数据由下向上传输时，RARP协议将48位的MAC地址映射为32位的IP地址。相反的，发送数据时，ARP协议将32位IP地址映射为48位的MAC地址。使用ARP协议不必事先知道各个主机的物理地址就可以发送数据，并且当映射关系发生变化时，可以进行及时的修正。ARP协议实现过程如图5所示。

3.2.3 网络层IP协议的实现

IP模块作为协议栈的核心协议，提供面向无连接的，不可靠的数据传输，也就是说IP数据报可以不按照发送顺序接收，每个数据报都是彼此独立的选择路由，所以到达顺序不一。网络中所有的TCP、UDP以及ICMP数据都以IP数据报格式传输，并且IP为数据报选择路由，将其发往网络接口层，或者回环给上层协议软件[7]。所有的数据发送都是通过程序void SendFrame(Uint16 *TxdNetBuff,Uint16 length)进行发送，其中Uint16 *TxdNetBuff指向发送缓冲区，Uint16 length为发送数据长度。

3.2.4 传输层TCP协议的实现

由于IP协议的无连接和不可靠性，数据从网络层到达传输层时，TCP协议为不可靠的IP连接提供可靠的、端对端的数据传输，保证数据的完整性。使用TCP协议通讯之前，必须建立一条可靠的连接(套接字)，数据传送完毕后释放连接。连接过程要经过“三次握手”，如图6所示。

服务器先对DSP系统初始化，包括对各个子模块和中断向量表的初始化。

运行TCP_tester.exe调试软件，输入IP地址和端口号，建立连接。连接成功后，开始数据的传送。在CCStudiov3.3编译环境下，运行程序，使用IP抓包工具，设置捕包条件(包括帧类型、IP地址、端口号等)，开始捕包，抓取数据包如图7所示。根据左下角的报文分析可以读出所采集的数据信息，在报文分析中，选中左侧报头名称，右侧相应的显示报头内容，可选中Tcp Header查看采集信息情况。根据帧类型的不同，调用不同的函数进行处理：ProcessEthBroadcastFrame()处理ARP帧，ProcessEthIAFrame()处理TCP帧。

4 结论

本文重点实现了基于TCP/IP协议的DSP系统作为服务器，上位机作为客户端的网络通信，将DSP强大的运算能力与网络相结合，结构简单，功能强大，使得DSP系统方便与网络上的其他设备进行信息共享。经试验，通过网络抓包工具设置捕包条件，抓取F2812采集到的电池组各项参数，通过和上位机实时显示电池参数的动态变化作比较，出入不大。软件性能稳定，跟踪效果良好，有着很好的应用前景

[1] Chriistian Le gar e(加拿大).TCP/IP,The Embedded Protocol Stack For the STM32 ARM Cortex-M3[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013．

[2] 顾卫刚.手把手教你学DSP-基于TMS320X28X[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[3] 张伟雄.DSP芯片的原理与开发应用[M].北京：电子工业出版社，2011.

[4] 宋雪桦，吴和生，刘锦娟. 混合动力汽车电池管理系统设计[J]. 电子测量与仪器，2011,30(6)：6-8．

[5] 刘国福，廖巍.DSP与以太网的接口技术研究[J]. 电子技术应用，2001(1)：59-61.

[6] 朱爱军.基于DSP的便携式多功能电能测量仪的应用研究[J].中氮肥，2003(1)：59-62.

[7] 林成浴.TCP/IP协议及其应用[M].北京：人民邮电出版社，2013.

Ethernet Communication of Battery Management System Based on TMS320F2812

ZHANG Xiao-ronga, FENG Guo-shengb, QIU Wen-huia, HE Pana

(a.College of Electrical and Electronics; b.College of Mechanical Engineering,Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, Hebei, China)

Battery management system (BMS) is the main factor that restricts the development of hybrid electric vehicle. In order to ensure the battery performance is good, the battery life is prolonged, accurate collection of various parameters of the battery and real time control of the working status of the battery is necessary. In this paper, a hardware platform of Ethernet communication system based on TMSF2812 was designed, which embedded TCP/IP protocol stack, developed RTL8019AS device driver in DSP system, used “server-client” mode. The acquisition of the battery parameters through the Ethernet controller RTL8019AS and PC was applied to establish communications in order to realize the real-time control of the working state of the battery in remote terminal, and ensure the optimal operation of the vehicle.

battery management system; TMS320F2812; TCP/IP protocol stack; Ethernet controller RTL8019AS

河北省自然科学基金项目(混合动力客车能量控制策略研究)：E2014210050；河北省引进留学人员资助项目(混合动力客车能量管理及电机控制策略研究)：C2015005019；河北省研究生创新项目(轨道除沙车回转底盘设计与模型制作)：yc2016003；河北省研究生创新项目(混合动力客车研究与仿真)：yc2016011。

2016-09-05

张小荣(1990-)，男，河北武安人，硕士，主要从事BMS开发，E-mail:18732190686@163.com。

U469.72

B

1008-9446(2017)01-0052-05