CN109031131B - 电池测试与模拟仪器的异构多核实时主机系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电池测试与模拟仪器的异构多核实时主机系统及方法，包括：控制器分别与上位机及电池测试系统通信；控制器集成有第一控制单元、第二控制单元及第三控制单元，所述第三控制单元中设置有多个软核，多个软核分别与电池测试系统的功率变换系统、BMS系统及数据采集系统通信；第三控制单元中软核接收到来自功率变换系统、BMS系统及数据采集系统的信息后按照约定的协议解析处理并传送给第二控制单元，本发明使用的多核工作频率高，且多核都集成在一个芯片内部，彼此之间的通信皆为片内通信，相比于片间通信，通信速率高，实时性好。同时，系统若要扩充功能，可利用ZYNQ‑7000可扩展处理平台进行修改，实现外部硬件电路的最小改动，可扩展性强。

Description

电池测试与模拟仪器的异构多核实时主机系统及方法

技术领域

本发明涉及电池测试技术领域，特别是涉及电池测试与模拟仪器的异构多核实时主机系统及方法。

背景技术

电池测试与模拟仪器是电动汽车、动力电池等行业健康快速发展的必备设备。常规的电池测试与模拟仪器中，因存在非实时操作系统等问题，导致数据采集处理与控制实时性差等，严重制约了电池测试与模拟仪器的真实性、可靠性等性能。为此，提出一种实时主机系统负责整个测试模拟过程的资源实时调配和管理。基于实时主机系统的电池测试与模拟仪器，能够有效解决上述问题。

实时主机系统是整个仪器设备的“中枢神经”，负责存储并运行用户编写的测试与模拟程序，并通过CAN、以太网等通信方式实现与功率变换系统、BMS、数据采集系统、PC机，以及温控箱等辅助系统的在线交互。本发明提出的基于ZYNQ-7000异构多核实时主机系统设计方法，能够大幅提升系统的数据处理能力，确保系统的响应速度和稳定性，增强系统的可扩展性。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了电池测试与模拟仪器的异构多核实时主机系统。

电池测试与模拟仪器的异构多核实时主机系统，包括：控制器，所述控制器分别与上位机及电池测试系统通信；

所述控制器集成有第一控制单元、第二控制单元及第三控制单元，所述第三控制单元中设置有多个软核，多个软核分别与电池测试系统的功率变换系统、BMS系统及数据采集系统通信；

所述第三控制单元中软核接收到来自功率变换系统、BMS系统及数据采集系统的信息后按照约定的协议解析处理并传送给第二控制单元，所述第二控制单元根据接收的数据并结合当前系统所处的状态以及上位机指令信息，开展综合判断处理，将处理后的数据传送给第一控制单元，再由第一控制单元传至上位机。

进一步优选的技术方案，所述上位机中设置有电池测试工艺或电池模拟参数，通过以太网通讯方式下发给第一控制单元，第一控制单元接收数据后按照规定的通信协议解析数据并传送给第二控制单元；

其中，第二控制单元程序运行方式由相应的状态字将信息处理程序划分多个状态；

基于接收第三控制单元传送来的数据，第二控制单元进行数据处理、计算数据，根据结果得出当前充放电过程所运行的状况，并结合第一控制单元传送的指令信息，来决定下一步动作。

进一步优选的技术方案，所述第一控制单元与第二控制单元之间的通信采用共享DDR内存方式。

进一步优选的技术方案，所述第一控制单元包括以太网控制模块、数据校验处理模块、第一内存管理模块；

所述以太网控制模块，用于实现第一控制单元与上位机通过以太网的方式通讯；

所述数据校验处理模块，用于实现第一控制单元与上位机、第一控制单元与第二控制单元在进行数据传输时的数据校验；

所述第一内存管理模块，用于实现与第二控制单元以内存方式通信。

进一步优选的技术方案，所述第二控制单元包括第二内存管理模块、工艺解析模块、状态判断模块、断点续测模块；

所述第二内存管理模块，用于实现与第一控制单元以内存方式通信；

所述工艺解析模块，用于对上位机下发的电池测试工艺进行解析；

所述状态判断模块，用于根据接收的第三控制单元传送来的数据及上位机下发的信息，判断系统所处的状态；

所述断点续测模块，用于当系统断电又重新上电时，第二控制单元自动在上次断点处继续测试。

进一步优选的技术方案，所述第三控制单元包括第一BRAM控制器、双口BRAM，所述第一BRAM控制器用于实现分别与第二控制单元及双口BRAM通信，所述双口BRAM通信分别与第二BRAM控制器、第三BRAM控制器、第四BRAM控制器通信，第二BRAM控制器、第三BRAM控制器、第四BRAM控制器分别与对应的内核通信；

所述内核分别通过电平转换与隔离单元与电池测试系统通信。

电池测试与模拟仪器的异构多核实时主机系统的工作方法，包括：

通过上位机设置电池测试工艺或电池模拟参数；

上位机通过以太网通讯方式将电池测试工艺或电池模拟参数下发给第一控制单元，第一控制单元接收数据后按照规定的通信协议解析数据并传送给第二控制单元；

第二控制单元程序运行方式由相应的状态字将信息处理程序划分多个状态；

基于接收第三控制单元传送来的数据，第二控制单元进行数据处理、计算数据，根据结果得出当前充放电过程所运行的状况，并结合第一控制单元传送的指令信息，来决定下一步动作。

进一步优选的技术方案，上述方法还包括：

第三控制单元中软核接收到来自功率变换系统、BMS系统及数据采集系统的信息后按照约定的协议解析处理并传送给第二控制单元；

所述第二控制单元根据接收的数据并结合当前系统所处的状态以及上位机指令信息，开展综合判断处理，将处理后的数据传送给第一控制单元，再由第一控制单元传至上位机。

进一步优选的技术方案，电池充电状态时，收到上位机充电指令，电池充电结束后进入静置状态，第二控制单元根据第三控制单元传送来的电压、电流信息，实时计算电池的Ah信息，一旦达到要求，则第二控制单元发送静置状态命令字给第三控制单元；

第二控制单元以BRAM内存为桥梁将决策信息传送给第三控制单元中的软核，软核接收到来自第二控制单元的信息后，立即下发给电池测试系统的功率变换系统、数据采集系统，以实现充放电测试、数据采集具体操作。

进一步优选的技术方案，待电池静置设定时间后，第二控制单元下发放电命令字，进行电池放电操作，此时第二控制单元根据传送来的数据实时计算、判断，待电池电压小于设定值后，即刻下发结束测试命令字，使设备结束测试。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)集成度高，可靠性好，数据处理能力强。

相比于以往分散的多核架构系统，本方法采用的ZYNQ-7000可扩展处理平台内部集成了两个ARM硬核和一块FPGA，集成度高，抗干扰能力强，可靠性好，特别适合于类似电池测试过程等干扰大、噪声强的场合，且两个硬核与多个软核协作处理数据，使得整个系统处理数据的能力增强。

(2)实时性好，可扩展性强。

本发明使用的多核工作频率高，且多核都集成在一个芯片内部，彼此之间的通信皆为片内通信，相比于片间通信，通信速率高，实时性好。同时，系统若要扩充功能，可利用ZYNQ-7000可扩展处理平台进行修改，实现外部硬件电路的最小改动，可扩展性强。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的实时主机系统结构示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了电池测试与模拟仪器的异构多核实时主机系统，实时主机系统是整个仪器设备的“中枢神经”，负责存储并运行用户编写的测试与模拟程序，并通过CAN、以太网等通信方式实现与功率变换系统、BMS、数据采集系统、PC机，以及温控箱等辅助系统的在线交互。显然，实时主机系统的实时性、数据处理能力和可扩展性能等的强弱直接决定了整个仪器设备性能的好坏。为此，提出的基于ZYNQ-7000异构多核实时主机系统设计方法，能够大幅提升系统的数据处理能力，确保系统的响应速度和稳定性，增强系统的可扩展性。

电池测试与模拟仪器设备的异构多核实时主机系统包括：ZYNQ-7000控制器、MRAM存储、EMMC存储、FLASH闪存、掉电检测电路、看门狗复位电路、工作状态指示、电平转换与隔离和触摸屏等部分。该系统充分利用了ZYNQ-7000中的两个Cortex-A9ARM硬核(ARM0和ARM1)和FPGA的BRAM控制器、BRAM内存以及MicroBlaze软核等，性能高、可靠性好。

系统整体工作原理及流程如下：

用户在上位机软件中编写好测试工艺或电池模拟参数，通过以太网通讯等方式下发给实时主机系统；ARM0接收数据后按照规定的通信协议解析数据并传送给ARM1，其中两个ARM核之间的通信采用共享DDR内存方式。ARM1程序运行方式类似于状态机，由相应的状态字将信息处理程序划分为运行态、停止态、测试态、待机态等多个状态。基于接收FPGA传送而来的数据，ARM1处理、计算数据，根据结果得出当前充放电过程所运行的状况,并结合ARM0传送的指令信息，来决定下一步动作。

例如：在电池测试过程中，有充电、放电、静置三种状态，若此时设备运行于电池充电状态，收到上位机指令：当1通道电池充电至30Ah时进入静置状态，静置1小时后进入放电状态，当放电至电压小于2V时结束测试。此时，ARM1根据FPGA传送而来的电压、电流等信息，实时计算电池的Ah信息，一旦达到要求，则ARM1发送静置状态命令字给FPGA。ARM1以BRAM内存为桥梁将决策信息传送给FPGA中的MicroBlaze软核。MicroBlaze软核接收到来自ARM1的信息后，立即下发给基于DSP的功率变换系统、数据采集系统等，以实现电池静置、数据采集等具体操作。待静置一小时后，ARM1下发放电命令字，设备进行电池放电操作，此时ARM1根据传送而来的数据实时计算、判断，待电池电压小于2V后，即刻下发结束测试命令字，使设备结束测试。

反之，MicroBlaze软核接收到来自功率变换系统、数据采集系统等的信息后，按照约定的协议解析处理并传送给ARM1。ARM1将分析这些数据并结合当前系统所处的状态以及上位机指令信息，开展综合判断处理(类似于数据下发流程)，将处理后的数据传送给ARM0，再由ARM0传至上位机。

图1中各部分的工作原理及作用如下：

ARM0：负责与上位机和ARM1通信。接收来自ARM1的信息，处理后送至上位机，并接收来自上位机的指令，将指令解析后传送给ARM1。其中与上位机之间的通信可通过TCP/IP协议等实现，而与ARM1之间的通信可通过共享DDR内存等方式实现。

ARM1：负责与ARM0硬核以及FPGA中MicroBlaze软核通信。接收来自ARM0的指令信息，将相应指令下发给各个MicroBlaze软核，并接收各个软核传送而来的信息，结合接收到的指令信息实时判断系统状态，将相应信息传至ARM0。在ARM1中，基于MRAM存储功能设计主要用于实现断点续测功能，例如当系统断电又重新上电时，ARM1可自动在上次断点处继续测试。

MicroBlaze软核：在FPGA中设计了多个MicroBlaze软核，每个软核均可独自完成不同的控制功能。在本发明的系统架构中，负责接收来自ARM1的指令并下发给相应的功率变换系统、数据采集系统、BMS系统等，并接收来自这些系统的数据信息，处理后传至ARM1。软核与ARM1都通过BRAM控制器访问BRAM，以实现两者之间的通信。软核还通过电平转换与隔离电路与外部设备通信，此通信方式可为CAN、RS232、RS485、以太网等。

MRAM存储：具有掉电数据不丢失且读写速度快等特点，用以保存重要的检测数据、记录程序断点等，为系统重启后的续接测试等提供保障。

EMMC存储：存储空间较大，可作为备用存储空间。

FLASH闪存：用以启动设备，存储程序代码(裸机程序、RTLinux程序等)

掉电检测电路：用以检测系统供电状态。当供电等出现异常时，及时通知系统采取相应的措施。

看门狗复位电路：监视系统程序的运行状态，防止系统程序跑飞。

工作状态指示：通过不同颜色LED等手段指示系统当前的工作状态。

电平转换与隔离电路：负责电平转换，使不同工作电平的数字电路之间电平匹配；隔离电路用于抑制系统噪声和干扰，防止通信电路大面积损坏。

触摸屏：实时显示设备运行时系统的相关信息，并可通过现场设置或在线修改测试工艺与模拟参数实现实时控制，并能够实现上位机的同步自动修改。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.电池测试与模拟仪器的异构多核实时主机系统，其特征是，包括：控制器，所述控制器分别与上位机及电池测试系统通信；

所述控制器为ZYNQ-7000控制器；

所述控制器集成有第一控制单元、第二控制单元及第三控制单元，所述第三控制单元中设置有多个软核，多个软核分别与电池测试系统的功率变换系统、BMS系统及数据采集系统通信；

所述第三控制单元中软核接收到来自功率变换系统、BMS系统及数据采集系统的信息后按照约定的协议解析处理并传送给第二控制单元，所述第二控制单元根据接收的数据并结合电池测试系统所处的状态以及上位机指令信息，开展综合判断处理，将处理后的数据传送给第一控制单元，再由第一控制单元传至上位机。

2.如权利要求1所述的电池测试与模拟仪器的异构多核实时主机系统，其特征是，所述上位机中设置有电池测试工艺或电池模拟参数，通过以太网通讯方式下发给第一控制单元，第一控制单元接收数据后按照规定的通信协议解析数据并传送给第二控制单元；

其中，第二控制单元程序运行方式由相应的状态字将信息处理程序划分多个状态；

基于接收第三控制单元传送来的数据，第二控制单元进行数据处理、计算数据，根据结果得出当前充放电过程所运行的状况，并结合第一控制单元传送的指令信息，来决定下一步动作。

3.如权利要求1所述的电池测试与模拟仪器的异构多核实时主机系统，其特征是，所述第一控制单元与第二控制单元之间的通信采用共享DDR内存方式。

4.如权利要求1所述的电池测试与模拟仪器的异构多核实时主机系统，其特征是，所述第一控制单元包括以太网控制模块、数据校验处理模块、第一内存管理模块；

所述以太网控制模块，用于实现第一控制单元与上位机通过以太网的方式通讯；

所述数据校验处理模块，用于实现第一控制单元与上位机、第一控制单元与第二控制单元在进行数据传输时的数据校验；

所述第一内存管理模块，用于实现与第二控制单元以内存方式通信。

5.如权利要求4所述的电池测试与模拟仪器的异构多核实时主机系统，其特征是，所述第二控制单元包括第二内存管理模块、工艺解析模块、状态判断模块、断点续测模块；

所述第二内存管理模块，用于实现与第一控制单元以内存方式通信；

所述工艺解析模块，用于对上位机下发的电池测试工艺进行解析；

所述状态判断模块，用于根据接收的第三控制单元传送来的数据及上位机下发的信息，判断电池测试系统所处的状态；

所述断点续测模块，用于当电池测试系统断电又重新上电时，第二控制单元自动在上次断点处继续测试。

6.如权利要求5所述的电池测试与模拟仪器的异构多核实时主机系统，其特征是，所述第三控制单元包括第一BRAM控制器、双口BRAM，所述第一BRAM控制器用于实现分别与第二控制单元及双口BRAM通信，所述双口BRAM分别与第二BRAM控制器、第三BRAM控制器、第四BRAM控制器通信，第二BRAM控制器、第三BRAM控制器、第四BRAM控制器分别与对应的内核通信；

所述内核分别通过电平转换与隔离单元与电池测试系统通信。

7.基于权利要求1-6任一所述的电池测试与模拟仪器的异构多核实时主机系统的工作方法，其特征是，包括：

通过上位机设置电池测试工艺或电池模拟参数；

上位机通过以太网通讯方式将电池测试工艺或电池模拟参数下发给第一控制单元，第一控制单元接收数据后按照规定的通信协议解析数据并传送给第二控制单元；

第二控制单元程序运行方式由相应的状态字将信息处理程序划分多个状态；

基于接收第三控制单元传送来的数据，第二控制单元进行数据处理、计算数据，根据结果得出当前充放电过程所运行的状况，并结合第一控制单元传送的指令信息，来决定下一步动作。

8.如权利要求7所述的电池测试与模拟仪器的异构多核实时主机系统的工作方法，其特征是，上述方法还包括：

第三控制单元中软核接收到来自功率变换系统、BMS系统及数据采集系统的信息后按照约定的协议解析处理并传送给第二控制单元；

所述第二控制单元根据接收的数据并结合电池测试系统所处的状态以及上位机指令信息，开展综合判断处理，将处理后的数据传送给第一控制单元，再由第一控制单元传至上位机。

9.如权利要求7所述的电池测试与模拟仪器的异构多核实时主机系统的工作方法，其特征是，电池充电状态时，收到上位机充电指令，电池充电结束后进入静置状态，第二控制单元根据第三控制单元传送来的电压、电流信息，实时计算电池的Ah信息，一旦达到要求，则第二控制单元发送静置状态命令字给第三控制单元；

第二控制单元以BRAM内存为桥梁将决策信息传送给第三控制单元中的软核，软核接收到来自第二控制单元的信息后，立即下发给电池测试系统的功率变换系统、数据采集系统，以实现充放电测试、数据采集具体操作。

10.如权利要求9所述的电池测试与模拟仪器的异构多核实时主机系统的工作方法，其特征是，待电池静置设定时间后，第二控制单元下发放电命令字，进行电池放电操作，此时第二控制单元根据传送来的数据实时计算、判断，待电池电压小于设定值后，即刻下发结束测试命令字，使设备结束测试。