CN109981204A - 一种bms仿真系统的多机同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种BMS仿真系统的多机同步方法，所述从各所述网关中任意指定一台网关作为主网关，并使用所述上位机来对主网关进行时钟同步；在主网关完成时钟同步后，通过主网关来对其它网关进行时钟同步；在所述网关将上位的机数据包发送给所述仿真测试模块时，通过在上位机的数据包中增加时间戳来实现对所述仿真测试模块进行时钟同步。本发明优点：可提高多网关之间时间同步的准确度，同时提高同步效率，降低资源消耗。

Description

一种BMS仿真系统的多机同步方法

技术领域

本发明涉及锂电池组测试领域，特别涉及一种BMS仿真系统的多机同步方法。

背景技术

在当前的锂电池领域中，电池仿真系统通过采用快速便捷的模块化组装方式，使得可轻松的构建多台仿真检测系统，且多台仿真检测系统还能同步使用，从而提高测试效率。

仿真检测系统需要多个模块协同操作。在测试周期内，仿真检测系统的多个模块需要同步并发操作，对被测物进行不间断数据采样，采样周期要求达到ms级，甚至是us级，这对于仿真检测系统的快速响应性能是一项极大的考验，任意一个模块，哪怕是超前或者滞后一个采样周期，都可能会给测试结果带来较大的偏差。因此，在进行多台仿真检测系统同步测试时，如何快速而又精准地同步到各个子模块的时钟节拍就显得尤为重要。

由于仿真检测系统的采样频率快、并联模块多，这就要求系统的通讯链路具有较高的数据吞吐性能。若采用USB通讯总线，虽然在传输带宽和设备级联上有先天优势，但USB线缆不能过长，在强电磁干扰环境并不适用；若采用PXI通行总线，则不仅开发难度高、板块体积大、开发成本也不菲，且不易实现不限个数的设备级联，灵活性不高；若全部采用以太网通讯，则网络资源利用率低，成本也高。

因受各种因素的影响，导致现有的仿真检测系统存在有以下几个不足：1、时钟同步效率低，模块资源消耗大；2、没有冗余措施，一旦主网关出现故障就会导致系统同步失效；3、网关同步过多依赖PC机，没有任何的自同步策略；4、数据吞吐性能较弱。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种BMS仿真系统的多机同步方法，通过该方法可提高多网关之间时间同步的准确度，同时提高同步效率，降低资源消耗。

本发明是这样实现的：一种BMS仿真系统的多机同步方法，所述需提供一上位机、一交换机以及复数个网关；所述上位机通过所述交换机与各所述网关通信，各所述网关之间均通信连接，每所述网关均挂载有复数台仿真测试模块；

所述方法包括如下步骤：

步骤S1、从各所述网关中任意指定一台网关作为主网关，并使用所述上位机来对主网关进行时钟同步；

步骤S2、在主网关完成时钟同步后，通过主网关来对其它网关进行时钟同步；

步骤S3、在所述网关将上位机的数据包发送给所述仿真测试模块时，通过在上位机的数据包中增加时间戳来实现对所述仿真测试模块进行时钟同步。

进一步地，所述步骤S2还包括：

步骤21、对各所述网关均设置一超时检测定时器，当其它网关在设定的超时时间内没有接收到主网关的时钟同步时，则从其它网关中任意再指定一台网关来接替主网关继续完成时钟同步。

进一步地，所述上位机与各所述网关之间使用以太网进行通信；各所述网关之间通过CAN总线进行通信；所述网关与各所述仿真测试模块之间使用串口进行通信。

进一步地，在所述步骤S1中，所述使用所述上位机对主网关进行时钟同步具体为：

由上位机向指定的主网关连续发出N次带有时间戳的同步请求数据包，主网关在接收到同步请求数据包后，分别记录下N次同步请求的时钟偏移量，并计算出N个时钟偏移量的方差值；

将各个时钟偏移量中平方值小于方差值的时钟偏移量累加求和，并计算出平均值，且将计算出的平均值作为交互的时钟修正参数来对主网关进行时钟同步。

进一步地，在所述步骤S2中，所述通过主网关来对其它网关进行时钟同步具体为：

步骤A1、主网关通过CAN总线广播带有时间戳的同步数据包，其它网关在接收到同步数据包后，将时间戳的数值设定为接收时间，以完成网关之间的首次同步；

步骤A2、主网关周期性地通过CAN总线继续广播带有时间戳的渐进式同步数据包，其它网关周期性地接收同步数据包，并逐步逼近式地修正其它网关与主网关之间的时钟误差。

进一步地，在所述步骤A2中，具体进行同步的步骤如下：

步骤A21、主网关在每次发起同步时，均将发送时刻的时间戳数值Ts1写入发送缓冲区，并通过CAN总线广播发送同步数据包到其它网关；

步骤A22、其它网关在接收到同步数据包后，立即记录接收时间Tr1；

步骤A23、利用总线速率以及同步数据包的大小计算出数据传输延误时间Tt1；

步骤A24、其它网关计算自身与主网关之间的时间偏差值Te1＝Tr1-Ts1+Tt1；

步骤A25、将其它网关的本机时间减去时间偏差值Te1，完成时钟误差的同步修正。

进一步地，所述步骤S21具体包括：

步骤S211、对各所述网关均设置一超时检测定时器；设定主网关的同步周期为Ts2，设定超时检测定时器的超时检测周期为Tt2，且使Tt2＝2*Ts2+R，其中，R为随机数；

步骤S212、当其它网关在设定的超时时间内没有接收到主网关的时钟同步时，超时时间最短的网关将第一个检测到主网关异常，并自动接替主网关继续通过CAN总线广播带有时间戳的同步数据包。

进一步地，所述步骤S21还包括：

步骤S213、在异常网关恢复后，将接收到的第一个同步数据包的时间戳直接同步到网关的本机时间。

进一步地，在所述步骤S211中，在开启所述网关后，延时K*Ts2时间才启动所述超时检测定时器，其中，K为正整数。

进一步地，所述步骤S3具体包括：

步骤S31、在所述网关开始发送上位机的第一个数据包给所述仿真测试模块时，记录发送时刻的时间戳数值Ts3；在所述仿真测试模块接收到第一个数据包后，立即记录接收时间Tr3；

步骤S32、在所述网关发送完上位机的数据包后，将时间戳数值Ts3发送给所述仿真测试模块；所述仿真测试模块接收到时间戳数值Ts3后，记录下时间戳数值Ts3；

步骤S33、通过波特率和发送的数据包的大小计算出数据传输延误时间Tt3；

步骤S34、所述仿真测试模块计算自身与网关之间的时间偏差值Te3＝Tr3-Ts3+Tt3；

步骤S35、将所述仿真测试模块的本机时间减去时间偏差值Te3，从而完成所述仿真测试模块的时间同步。

本发明具有如下优点：

1、通过本发明的同步方式可大幅提高多网关之间时间同步的准确度，同时提高同步效率，降低资源消耗；

2、可在不需要增加额外硬件的基础上，实现多模块的高精度同步，同步成本低；

3、设置有主网关意外崩溃的应对策略，可有效避免一旦主网关出现故障就导致系统同步失效的事情发生，因而极大的提高了系统的稳定性；

4、减少了PC时钟同步交互，而更多依赖的是网关的自同步，不仅可以降低网络占用率，而且可以实现网关的脱机同步；

5、采用串行通讯与工业以太网相结合的方式，不仅可以保证通讯链路的吞吐性能，而且可以降低成本。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一种BMS仿真系统的多机同步方法的执行流程图。

图2为本发明所涉及的硬件结构图。

图3为本发明中钟偏移量的求取示意图。

具体实施方式

请参照图1至图3所示，本发明一种BMS仿真系统的多机同步方法，所述需提供一上位机(即PC机)、一交换机以及复数个网关；所述上位机通过所述交换机与各所述网关通信，各所述网关之间均通信连接，每所述网关均挂载有复数台仿真测试模块(即采用星型网络结构)，每台仿真测试模块具有不同的功能，以实现并行完成锂电池的测试任务；

所述方法包括如下步骤：

步骤S1、从各所述网关中任意指定一台网关作为主网关，并使用所述上位机来对主网关进行时钟同步；

步骤S2、在主网关完成时钟同步后，通过主网关来对其它网关进行时钟同步；

步骤S3、在所述网关将上位机的数据包发送给所述仿真测试模块时，通过在上位机的数据包中增加时间戳来实现对所述仿真测试模块进行时钟同步。

在本发明中，所述步骤S2还包括：

步骤21、对各所述网关均设置一超时检测定时器，当其它网关在设定的超时时间内没有接收到主网关的时钟同步时，则从其它网关中任意再指定一台网关来接替主网关继续完成时钟同步。

为了避免主网关意外崩溃而导致系统同步失效，本发明对每一个网关均设置一个超时检测定时器。在正常状态下，时钟同步都由主网关发起，周期性执行，当其它网关在设定的超时时间内没有接到主网关的时钟同步信号时，则说明主网关可能发生了异常，此时就从其它网关中任意指定一台网关来接替主网关继续完成同步；如果其它网关在设定的超时时间内有接收到主网关的时钟同步信号，则说明主网关正常，此时就继续保持原状态。

所述上位机与各所述网关之间使用以太网进行通信，所述交换机为中间的连接中转；各所述网关之间通过CAN总线进行通信；所述网关与各所述仿真测试模块之间使用串口进行通信。由于单个仿真测试模块的数据传输量并不大，因此，本发明采用串行通讯与工业以太网相结合的方式，通过采用这种方式不仅可以保证通讯链路的吞吐性能，而且可以降低成本。

在所述步骤S1中，所述使用所述上位机对主网关进行时钟同步具体为：

由上位机向指定的主网关连续发出N次带有时间戳的同步请求数据包，主网关在接收到同步请求数据包后，分别记录下N次同步请求的时钟偏移量offsets(各个时钟偏移量offsets的计算请参照图3所示)，并计算出N个时钟偏移量的方差值，例如连续发出5次同步请求，那么就分别记录5次同步请求的时钟偏移量offsets，并计算出这5个时钟偏移量offsets的方差值；在本具体实施例中，只需连续发出3～5次带有时间戳的同步请求数据包即可，且在发送同步请求数据包时，每次间隔200ms的固定时间；当然，本发明并不仅限于此，在具体实施时，还可以根据实际需要来调整连续发出的次数N以及每次间隔的固定时间；

将各个时钟偏移量offsets中平方值小于方差值的时钟偏移量累加求和，并计算出平均值，且将计算出的平均值作为交互的时钟修正参数来对主网关进行时钟同步，从而完成第一次时钟同步。例如，在具体实施时，5个时钟偏移量offsets中有4个平方值小于方差值，那么就将这4个时钟偏移量offsets累积求和并求取平均值。

在所述步骤S2中，所述通过主网关来对其它网关进行时钟同步具体为：

步骤A1、主网关通过CAN总线广播带有时间戳的同步数据包，其它网关在接收到同步数据包后，将时间戳的数值设定为接收时间，以完成网关之间的首次同步；

步骤A2、主网关周期性地通过CAN总线继续广播带有时间戳的渐进式同步数据包，其它网关周期性地接收同步数据包，并逐步逼近式地修正其它网关与主网关之间的时钟误差，从而实现网关级时间同步。

在所述步骤A2中，具体进行同步的步骤如下：

步骤A21、主网关在每次发起同步时，均将发送时刻的时间戳数值Ts1写入发送缓冲区，并通过CAN总线广播发送同步数据包到其它网关；

步骤A22、其它网关在接收到同步数据包后，立即记录接收时间Tr1；

步骤A23、利用总线速率以及同步数据包的大小计算出数据传输延误时间Tt1；

步骤A24、其它网关计算自身与主网关之间的时间偏差值Te1＝Tr1-Ts1+Tt1；

步骤A25、将其它网关的本机时间减去时间偏差值Te1，完成时钟误差的同步修正。

所述步骤S21具体包括：

步骤S211、对各所述网关均设置一超时检测定时器；设定主网关的同步周期为Ts2，设定超时检测定时器的超时检测周期为Tt2，且使Tt2＝2*Ts2+R，其中，R为随机数；通过设置随机数R，可使得其它网关中的每台网关的超时时间不一致，从而降低碰撞几率；

步骤S212、当其它网关在设定的超时时间内没有接收到主网关的时钟同步时，超时时间最短的网关将第一个检测到主网关异常(由于每个网关设定的超时检测周期Tt2＝2*Ts2+R，而R又为随机数，因此，根据R选取的不同，就可以得到一个超时时间最短的网关)，并自动接替主网关继续通过CAN总线广播带有时间戳的同步数据包。

所述步骤S21还包括：

步骤S213、在异常网关恢复后，将接收到的第一个同步数据包的时间戳直接同步到网关的本机时间，在接收到第一个同步数据包后，对后续接收到的同步数据包均做渐进式同步。

在所述步骤S211中，在开启所述网关后，延时K*Ts2时间才启动所述超时检测定时器，其中，K为正整数。也就是说，在本发明中，超时检测具有延迟启动特性，只有在网关开启后延迟K*Ts2时间才会启动超时检测功能，期间保持时钟同步功能，可避免因初始时间不一致而带来的争抢冲突问题；在本具体实施例中K的取值为20，当然，本发明并不仅限于此，在具体实施时还可以根据实际需要来设置具体的K值。另外，异常网关在重启后，也需要延迟K*Ts2时间才启动超时检测功能。

所述步骤S3具体包括：

步骤S31、在所述网关开始发送上位机的第一个数据包给所述仿真测试模块时，记录发送时刻的时间戳数值Ts3；在所述仿真测试模块接收到第一个数据包后，立即记录接收时间Tr3；

步骤S32、在所述网关发送完上位机的数据包后，将时间戳数值Ts3发送给所述仿真测试模块；所述仿真测试模块接收到时间戳数值Ts3后，记录下时间戳数值Ts3；

步骤S33、通过波特率和发送的数据包的大小计算出数据传输延误时间Tt3；

步骤S34、所述仿真测试模块计算自身与网关之间的时间偏差值Te3＝Tr3-Ts3+Tt3；

步骤S35、将所述仿真测试模块的本机时间减去时间偏差值Te3，从而完成所述仿真测试模块的时间同步。

综上所述，本发明具有如下有益效果：

1、通过本发明的同步方式可大幅提高多网关之间时间同步的准确度，同时提高同步效率，降低资源消耗；

2、可在不需要增加额外硬件的基础上，实现多模块的高精度同步，同步成本低；

3、设置有主网关意外崩溃的应对策略，可有效避免一旦主网关出现故障就导致系统同步失效的事情发生，因而极大的提高了系统的稳定性；

4、减少了PC时钟同步交互，而更多依赖的是网关的自同步，不仅可以降低网络占用率，而且可以实现网关的脱机同步；

5、采用串行通讯与工业以太网相结合的方式，不仅可以保证通讯链路的吞吐性能，而且可以降低成本。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种BMS仿真系统的多机同步方法，其特征在于：所述需提供一上位机、一交换机以及复数个网关；所述上位机通过所述交换机与各所述网关通信，各所述网关之间均通信连接，每所述网关均挂载有复数台仿真测试模块；

所述方法包括如下步骤：

步骤S1、从各所述网关中任意指定一台网关作为主网关，并使用所述上位机来对主网关进行时钟同步；

步骤S2、在主网关完成时钟同步后，通过主网关来对其它网关进行时钟同步；

步骤S3、在所述网关将上位机的数据包发送给所述仿真测试模块时，通过在上位机的数据包中增加时间戳来实现对所述仿真测试模块进行时钟同步。

2.根据权利要求1所述的一种BMS仿真系统的多机同步方法，其特征在于：所述步骤S2还包括：

步骤21、对各所述网关均设置一超时检测定时器，当其它网关在设定的超时时间内没有接收到主网关的时钟同步时，则从其它网关中任意再指定一台网关来接替主网关继续完成时钟同步。

3.根据权利要求1所述的一种BMS仿真系统的多机同步方法，其特征在于：所述上位机与各所述网关之间使用以太网进行通信；各所述网关之间通过CAN总线进行通信；所述网关与各所述仿真测试模块之间使用串口进行通信。

4.根据权利要求1所述的一种BMS仿真系统的多机同步方法，其特征在于：在所述步骤S1中，所述使用所述上位机对主网关进行时钟同步具体为：

由上位机向指定的主网关连续发出N次带有时间戳的同步请求数据包，主网关在接收到同步请求数据包后，分别记录下N次同步请求的时钟偏移量，并计算出N个时钟偏移量的方差值；

将各个时钟偏移量中平方值小于方差值的时钟偏移量累加求和，并计算出平均值，且将计算出的平均值作为交互的时钟修正参数来对主网关进行时钟同步。

5.根据权利要求1所述的一种BMS仿真系统的多机同步方法，其特征在于：在所述步骤S2中，所述通过主网关来对其它网关进行时钟同步具体为：

步骤A1、主网关通过CAN总线广播带有时间戳的同步数据包，其它网关在接收到同步数据包后，将时间戳的数值设定为接收时间，以完成网关之间的首次同步；

步骤A2、主网关周期性地通过CAN总线继续广播带有时间戳的渐进式同步数据包，其它网关周期性地接收同步数据包，并逐步逼近式地修正其它网关与主网关之间的时钟误差。

6.根据权利要求4所述的一种BMS仿真系统的多机同步方法，其特征在于：在所述步骤A2中，具体进行同步的步骤如下：

步骤A21、主网关在每次发起同步时，均将发送时刻的时间戳数值Ts1写入发送缓冲区，并通过CAN总线广播发送同步数据包到其它网关；

步骤A22、其它网关在接收到同步数据包后，立即记录接收时间Tr1；

步骤A23、利用总线速率以及同步数据包的大小计算出数据传输延误时间Tt1；

步骤A24、其它网关计算自身与主网关之间的时间偏差值Te1＝Tr1-Ts1+Tt1；

步骤A25、将其它网关的本机时间减去时间偏差值Te1，完成时钟误差的同步修正。

7.根据权利要求2所述的一种BMS仿真系统的多机同步方法，其特征在于：所述步骤S21具体包括：

步骤S211、对各所述网关均设置一超时检测定时器；设定主网关的同步周期为Ts2，设定超时检测定时器的超时检测周期为Tt2，且使Tt2＝2*Ts2+R，其中，R为随机数；

步骤S212、当其它网关在设定的超时时间内没有接收到主网关的时钟同步时，超时时间最短的网关将第一个检测到主网关异常，并自动接替主网关继续通过CAN总线广播带有时间戳的同步数据包。

8.根据权利要求7所述的一种BMS仿真系统的多机同步方法，其特征在于：所述步骤S21还包括：

步骤S213、在异常网关恢复后，将接收到的第一个同步数据包的时间戳直接同步到网关的本机时间。

9.根据权利要求7所述的一种BMS仿真系统的多机同步方法，其特征在于：在所述步骤S211中，在开启所述网关后，延时K*Ts2时间才启动所述超时检测定时器，其中，K为正整数。

10.根据权利要求1所述的一种BMS仿真系统的多机同步方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括：

步骤S31、在所述网关开始发送上位机的第一个数据包给所述仿真测试模块时，记录发送时刻的时间戳数值Ts3；在所述仿真测试模块接收到第一个数据包后，立即记录接收时间Tr3；

步骤S32、在所述网关发送完上位机的数据包后，将时间戳数值Ts3发送给所述仿真测试模块；所述仿真测试模块接收到时间戳数值Ts3后，记录下时间戳数值Ts3；

步骤S33、通过波特率和发送的数据包的大小计算出数据传输延误时间Tt3；

步骤S34、所述仿真测试模块计算自身与网关之间的时间偏差值Te3＝Tr3-Ts3+Tt3；

步骤S35、将所述仿真测试模块的本机时间减去时间偏差值Te3，从而完成所述仿真测试模块的时间同步。