CN111614422B - 一种菊花链通讯仿真测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种菊花链通讯仿真测试系统，包括监控上位机界面、目标芯片仿真模型、运行实时系统、菊花链物理层转换电路和硬件故障注入模块，所述监控上位机界面用于配置测试的参数、设置故障注入以及监控整个测试系统的运行状态，仿真模型是仿真芯片的内部状态机、通讯逻辑、寄存器配置和故障异常处理机制，经过编译的仿真模型在实时系统上运行，根据模型输出的结果控制物理层的信号输出，同时实时反馈当前运行内部参数状态，采用本发明的测试系统能够高效快速的实现菊花链通讯系统的测试、诊断，可以与现有的HIL台架联动实现整个测试系统的闭环运行，提高了测试效率的同时也降低了成本。

Description

一种菊花链通讯仿真测试系统

技术领域

本发明涉及自动化技术领域，具体是一种菊花链通讯仿真测试系统。

背景技术

电池管理系统是新能源汽车“三电”核心零部件之一，随着电动汽车技术的不断进步，电池管理系统可靠性和成本等方面都备受关注。早期的BMS架构都是采用基于CAN总线的分布式架构，具有可靠性高、成组方式灵活等优势，但是每个从控制器都需配一个带CAN总线的单片机芯片，这增加了系统的硬件成本。另外由于锂离子电池在汽车上是串联起来的，不同的前端模拟量芯片AFE(Analog Front End)采样参考电位相差很大，采用CAN总线通讯也需要有隔离措施，无论是光隔离还是磁隔离，都将增加系统成本。目前主流电池管理系统都是采用带有菊花链通讯的集成IC芯片。例如TI的BQ79606芯片采用的是基于差分双绞线的UART串行菊花链方案，Maxim的Max17823/Max17853采用的也是差分双绞线的UART菊花链通讯，通过变压器或者电容进行电气隔离；NXP的MC33771/MC33772采用的是基于SPI的差分双绞线菊花链通讯，而ADI的LTC68xx系列，也是基于变压器的isoSPI通讯方式，通过LTC6820将4线制的SPI信号转换成差分双绞线通讯的脉冲信号。

由于菊花链通讯采用差分双绞线的通讯方式，采用高频变压器或者电容进行电位隔离，因此具备很好的抗共模干扰特性和很少的辐射发射特性。菊花链通讯通常可以形成环路(Loop-Back)，当环路中间出现断线或者通讯中断时，可以从两端进行通讯，增加了系统的可靠性。由于其诸多优点，目前菊花链通讯在各大主机厂的BMS中成为了主流方式。

目前在针对常规的现场通讯总线的测试方法与测试工具已经很成熟，但是无法直接扩展到菊花链通讯的测试中。针对菊花链通讯仿真测试的工具目前在国内外市面上几乎是一片空白。

发明内容

本发明的目的在于提供一种菊花链通讯仿真测试系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种菊花链通讯仿真测试系统，包括监控上位机界面、目标芯片仿真模型、运行实时系统、菊花链物理层板卡和硬件故障注入模块，所述监控上位机界面用于配置测试的参数、设置故障注入以及监控整个测试系统的运行状态，仿真模型是仿真芯片的内部状态机、通讯逻辑、寄存器配置和故障异常处理机制，经过编译的仿真模型在实时系统上运行，根据模型输出的结果控制物理层的信号输出，同时实时反馈当前运行内部参数状态，物理层是将仿真的输出结果转换成菊花链通讯的物理电气信号。

作为本发明的进一步方案：所述物理层信号的仿真与硬件故障注入，有两种实现方法，一种是直接采用专用的协议转换芯片，都是将标准SPI信号或者UART信号转换成该厂家自定义的差分脉冲信号，另一种是其转换芯片只能收发特定字节的信息，因此在测试时无法灵活收发任意数据，需要通过搭建模拟电路模拟。

作为本发明的进一步方案：所述协议转换芯片的型号为ADI的LTC6820、Maxim的Max17841以及NXP的MC33664。

作为本发明的进一步方案：直接采用专用的协议转换芯片可以对所有的输入输出信息进行转换；。

作为本发明的进一步方案：所述LTC6820采用匹配的供电和吸收电流来驱动差分信号，接收器中的高精度窗口比较器实现差分信号的检测，实时系统可以通过标准SPI接口与该芯片进行通讯实现菊花链物理信号的转换。

作为本发明的进一步方案：为了真实的模拟出芯片的通讯特性，需要根据芯片的菊花链通讯方式和芯片内部的状态机以及寄存器信息等进行建模，在实时系统上运行的模型根据接收到的指令进行响应。

作为本发明的进一步方案：仿真模型分为四大部分：电池包配置参数信息、指令响应与通讯控制、芯片内部状态模拟以及故障注入部分。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用菊花链仿真测试系统替代真实的电池系统和前端模拟量采集芯片，通过物理层信号的仿真实现电信号的交互，通过在实时系统上运行的芯片模型实现通讯逻辑的真实仿真，上位机监控软件实现测试系统的参数控制和故障注入等。采用本发明的测试系统能够高效快速的实现菊花链通讯系统的测试、诊断，可以与现有的HIL台架联动实现整个测试系统的闭环运行，提高了测试效率的同时也降低了成本。

附图说明

图1是典型的基于菊花链通讯的电池系统方框图。

图2为菊花链通讯仿真测试系统组成方框图。

图3为驱动电流和比较门限电压设置图。

图4为发送电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，实施例2-4：本发明实施例中，一种菊花链通讯仿真测试系统，包括监控上位机、目标芯片仿真模型、运行实时系统、菊花链物理层板卡和硬件故障注入。其中监控上位机界面用于配置测试的参数、设置故障注入以及监控整个测试系统的运行状态。仿真模型是仿真芯片的内部状态机、通讯逻辑、寄存器配置和故障异常处理机制等。经过编译的仿真模型在实时系统上运行，根据模型输出的结果控制物理层的信号输出，同时实时反馈当前运行内部参数状态。物理层则是将仿真的输出结果转换成菊花链通讯的物理电气信号。

物理层信号的仿真与硬件故障注入，可以采用两种实现方法。一是是直接采用专用的协议转换芯片，例如ADI的LTC6820、Maxim的Max17841以及NXP的MC33664等芯片，都是将标准SPI信号转换成该厂家自定义的差分脉冲信号，该芯片的特点是几乎可以对所有的输入输出信息进行转换；另一种是其转换芯片只能收发特定字节的信息，因此在测试时无法灵活收发任意数据，需要通过搭建模拟电路模拟。

基于专用的协议转换芯片实现方法，以LTC6820为例进行说明。LTC6820芯片可实现标准的SPI与isoSPI之间的信号转换，它采用匹配的供电和吸收电流来驱动差分信号，接收器中的高精度窗口比较器实现差分信号的检测。因此实时系统可以通过标准SPI接口与该芯片进行通讯实现菊花链物理信号的转换。

如图3所示，差分通讯信号的驱动电流IBIAS和接收信号输入比较门限VCMP通过外部电阻R1和R2设定，实际产品设计时需要针对所需的电缆长度和期望的信噪比进行优化。

IBIAS＝2V/(R1+R2) (1)

VCMP＝0.5*IBIAS*R2 (2)

通过上位机分别设置不同的R1和R2，以匹配不同的线长和需要的信噪比，可以通过测试找出实际应用中最优化的偏置电阻。另外测试过程中还需要针对物理信号做故障注入测试。测试内容包括通讯线的断路、短接到地、短接到电源以及双绞线互短等。

基于分立元件搭建的物理层模拟。以TI的BQ79606为例说明分立元件的物理层模拟。如图4所示。先高后低的方波脉冲代表信号“1”，先低后高的方波脉冲代表信号“0”。测试过程过程中，通常需要将差分信号幅值、位宽等关键信息设置成可调节的，以便测试被测控制器通讯的稳定性和优化系统参数。

发送电路的基本原理，当仅闭合K1和K4时，在输出端Com+与Com-之间产生正脉冲，当仅闭合K2和K3时，输出端Com+与Com-之间产生负脉冲。通过控制开关的闭合时间和先后顺序，便可产生对应的发送位。为了改变输出信号的幅值和驱动电流，可通过改变电源电压Vm和可变电阻R3来实现。若为了防止H桥的同一边开关同时导通而加入了死区限制，则会导致输出信号在正负脉冲跳变的时候产生延迟，这会跟真实的通讯信号不同。由于通讯信号的模拟本身功率不大，所以为了消除这个延迟，在实际电路控制中取消了死区的限制，而是通过在电源端串联一个限流电路。

接收电路通过一个比较器将正脉冲转换为数字信号“1”，将负脉冲转换成数字信号“0”。而在实时控制器中，将菊花链上从“1”到“0”的跳变解析为接收端的“1”，将从“0”到“1”的跳变沿解析为接收端的“0”，然后再通过软件算法得出实际通讯的数据。

实施例2：在实施例1的基础上，为了真实的模拟出芯片的通讯特性，需要根据芯片的菊花链通讯方式和芯片内部的状态机以及寄存器信息等进行建模，在实时系统上运行的模型根据接收到的指令进行响应。通常模型分为四大部分：电池包配置参数信息、指令响应与通讯控制、芯片内部状态模拟以及故障注入部分。

(1)电池配置参数信息模块是模型试验人员交互的接口。模型包括电池系统的菊花链通讯节点数量和每个节点采集的电压、温度数量配置，以及每个电池的电压设置和温度设置，均衡指令设置等。此外还包括模型内部参数变量等信息的上传显示。

(2)指令响应与通讯控制是测试系统与被测产品之间的物理交互。

在级联的通讯拓扑结构中，软件逻辑上的通讯方式也分为传统菊花链级联模式和寻址模式。传统菊花链模式如ADI的LTC681X系列，Maxim的Max17823和Max17853等。该方式是将数据从一个芯片传递到下一级芯片，因此在建模过程中根据芯片的个数设置一个先进先出的缓冲队列，用队列中数据的移位模拟真实数据的链式传递。寻址模式是逻辑上的一对一的通讯方式，例如NXP的MC33771和MC33772等。主机在初始化的时候自动为通讯链路中每个芯片设置一个唯一的ID，然后在配置和读取特定ID的芯片时，只需将ID放在指令中发出去，这时通讯链路中只有对应ID的芯片才会响应，其它芯片内部是不参与这个通讯过程的。在这类芯片的仿真建模过程中，只需要根据命令中的ID响应对应的内容即可。

(3)芯片内部状态模拟模块，根据芯片对应的数据手册，通过Matlab/Simulink中的State Flow模块进行建模。通过接收不同的菊花链指令信息进行各个状态之间的切换，在不同的内部状态下，指令响应的延时和响应内部各不相同。

(4)故障注入模块接收上位机发送的故障注入信息，注入响应错误、延时错误或者物理层硬件的错误。例如针对初始化过程出现的各种时序错误、流程错误等异常状况进行响应并报出对应的故障码，还要响应在正常通讯流程中出现的异常指令和意外流程等故障，并实时将故障状态反馈给测试上位机。

模型设计完成后，编译下载到实时系统运行。实时平台是最关键的部分，由于通常仿真的的菊花链节点都是从节点，因此对仿真器的响应时间有着非常高的实时性要求。经过充分考虑和论证，本项目选择NI的NI8840-RT，它具有以下基本特征：

a)CPU 4核处理器，Intel CoreTM i7；

b)主频≧2.7G HZ；

c)内存4G。

d)带有稳定的实时系统。

e)实时系统带有自动和手动的处理任务分配和内核分配功能

实时系统通过高速总线与物理层仿真板卡进行通讯控制，同时通过高速以太网与上位机实时交互，接收上位机发送的配置参数和指令。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种菊花链通讯仿真测试系统，包括监控上位机界面、目标芯片仿真模型、运行实时系统、菊花链物理层转换板卡和硬件故障注入模块，其特征在于，所述监控上位机界面用于配置测试的参数、设置故障注入以及监控整个测试系统的运行状态，仿真模型是仿真芯片的内部状态机、通讯逻辑、寄存器配置和故障异常处理机制，经过编译的仿真模型在实时系统上运行，根据模型输出的结果控制物理层的信号输出，同时实时反馈当前运行内部参数状态，菊花链物理层转换板卡是将仿真的输出结果转换成菊花链通讯的物理电气信号，所述物理层信号的仿真与硬件故障注入，有两种实现方法，一种是直接采用协议转换芯片，都是将标准SPI信号或者UART信号转换成该协议转换芯片厂家自定义的差分脉冲信号，另一种是通过搭建电路模拟菊花链通讯差分信号，仿真模型分为四大部分：电池包配置参数信息、指令响应与通讯控制、芯片内部状态模拟以及故障注入部分。

2.根据权利要求1所述的一种菊花链通讯仿真测试系统，其特征在于，所述协议转换芯片的型号为ADI的LTC6820、Maxim的Max17841以及NXP的MC33664。

3.根据权利要求1所述的一种菊花链通讯仿真测试系统，其特征在于，直接采用协议转换芯片对所有的输入输出信息进行转换。

4.根据权利要求2所述的一种菊花链通讯仿真测试系统，其特征在于，所述LTC6820采用匹配的供电和吸收电流来驱动差分信号，接收器中的高精度窗口比较器实现差分信号的检测，实时系统通过标准SPI接口与该芯片进行通讯实现菊花链物理信号的转换。

5.根据权利要求1所述的一种菊花链通讯仿真测试系统，其特征在于，为了真实的模拟出芯片的通讯特性，需要根据芯片的菊花链通讯方式和芯片内部的状态机以及寄存器信息进行建模，在实时系统上运行的模型根据接收到的指令进行响应。

Images