CN112052593A - 一种电池运行特性及故障模拟仿真运行平台及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种多电池模拟器协同上位机兼具运行特性监控以及故障仿真模拟的运行平台。下位机可以解析上位机下达的用户指令，通过AD模块生成用户设定的模拟电压。下位机之间可以通过继电器的操作配合，检测相互之间的连接状态，形成连接关系网络的矩阵。下位机通过通信模块的总线连接实现下位机间通信以及上下位机间的通信。上位机可通过图形化人机交互界面实时对下位机下达控制指令远程操控下位机并监控其工作状况，生成直观的连接关系网络图，并可将电路数据共享至仿真平台MATLAB进行在线仿真操作。用户也可调用预设的故障模拟数据库，通过LabVIEW平台实时进行故障模拟。
Description
技术领域
本发明涉及具体为一种电池运行特性的以及故障模拟仿真平台，属于嵌入式及通信领域。
背景技术
目前，从便携式移动设备到电动汽车以及通信领域，电池的使用无处不在。但是在实际投产过程中，需要反复测试和验证来确保其可靠性和安全性。传统方法是直接采用实际电池进行测试和验证，这种方法可行但并不便利，存在诸多弊端，无法动态调节电压电流。电池模拟器应运而生，其可以代替真正的电池进行各种测试实验，并且具有如下优势：
(1)测试安全性得到了极大提高。近些年来，自“三星note7爆炸门”后，移动设备电池的爆炸事件层出不穷，引发了些许人员伤亡。化学电池测试实验的危险性一直是存在的。采用电池模拟器可以有效避免危险情况，由于其内部的有效软件保护，可及时闭锁输出。同时稳定的硬件平台相较于不稳定的化学电池，可提供一个较为安全的测试环境。
(2)增强测试灵活性，缩短测试周期。电池模拟器可以数字化地改变和设置电压电流，模拟真实电池的充电放电过程。由于其可灵活改变指令，便可在测试时及时改变为不同状态，这大大加快了研发进程和效率，缩短了研发测试周期。
(3)节约资源，减少环境污染。化学电池的测试会存在许多不确定性，这必然会产生很多浪费，这是对地球资源的浪费。化学电池测试运行后产生的废旧电池，如果不进行专业的处理会对生态环境造成很大的危害。电池模拟器避免了大量的电池的生产和报废，既节约了资源，又保护了环境。
综上所述，电池模拟器的研究和设计是具有实用意义的，并且其上可应用电池测试实验，下可用于电路科教用具，其市场前景也是值得期待的。但目前的电池模拟器，功能性仅仅停留在对单一电池电压的模拟，而缺乏对连接数据的有效分析处理以及故障诊断功能，以及可视化的上位机操作和仿真功能并没有很好的实现。
发明目的
为在电池实验测试过程中实现对化学电池的有效替代，同时为克服现有模拟电池普遍不具备的实时仿真控制平台的特点，发明设计了一种电池运行特性的以及故障模拟仿真平台，以DSP嵌入式平台为基础，采用CAN总线通信技术，与上位PC机进行信息交互,利用LabVIEW平台及MATLAB仿真实现可视化图形界面的操作及仿真功能，使用户能够快速获取电池运行特性并判断其故障类型。
本发明所提供的电池运行特性及故障模拟仿真运行平台由下位机和上位机两部分构成。其中下位机为以嵌入式技术开发的模拟电池板，上位机为PC。为实现本发明，需要上位机与下位机的协同开发与操作。其中需要解决的技术问题主要如下：
(1)下位机的硬件设计。下位机的硬件应具备模块化，可自由配置与操作，具备足够的通信接口和连接端口。
(2)上位机下位机的通信方式与通信协议的制定。通信的可靠性与效率要高，通信协议要简洁和可靠。
(3)连接关系的识别与故障信息的分析模拟。本发明需要对电池的连接关系作出判断，根据连接关系进行错误信息诊断，并且可以从故障数据库中调出响应的模拟方案与仿真模型。
(4)图形化实时操作界面及运行状态的显示。需要对通信数据进行解析和处理，人机交互界面应该直观和形象，降低学习成本和上手难度，增加操作的便利性和效率。
解决上述问题，也是本发明的目的之所在。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种电池运行特性的以及故障模拟仿真平台，包括同步运行的上位机和下位机，其中，下位机为拥有DA输出功能的模拟电池板，所述模拟电池板为包括一个模拟电池模块的单台电池模拟器或包括多个模拟电池模块的模拟电池系统；
上位机拥有基于LabVIEW平台和MATLAB仿真平台开发的模拟操作仿真平台，可以与下位机模拟电池板进行信息交互及实时控制，能够动态实时显示多个电池运行特性以及电池网络的连接关系，具有电路诊断和故障分析与模拟的功能。
所述下位机的电池模拟器的模拟电池模块采用DSP芯片进行嵌入式编程，每一块模拟电池模块上都有一块独立的DSP控制芯片，在所述DSP控制芯片的最小系统外围，每块模拟电池模块都配备了一个DA转换模块，一个通信模块，两个正负端子；配备有继电器用来切换模拟电池器的正负端子的连接情况，其中正负端子的功能存在复用：当模拟电池模块向外输出时作为AD的外部输出端子，在采集外部连接关系的自检功能时，作为检测端子，端子功能的复用经由与下位机的继电器选择和控制。
所述上位机的人机交互界面使用LabVIEW语言编写，可根据接收下位机上传的信息，用图形界面展现整个电池网络的运行特性，识别并存储故障信息，在与MATLAB平台互联时能够导出信息，生成模拟仿真。
所述上位机通过LabVIEW语言编写了上位机程序，并且使用G语言和控件设计了图形化的操作界面。
上位机与下位机之间的通信采用了CAN总线通信。
优选地，针对所述CAN总线的数据帧制定有控制协议，传递以下信息：
1.上位机初始化下位机的复位信息；
2.上位机调节下位机模拟电压的数字信息；
3.上位机检测下位机连接状态的指令信息；
4.上位机控制下位机端口和继电器动作的指令信息；
5.下位机返回连接状态的数字矩阵信息；
6.下位机返回当前平台运行状态信息；
7.下位机返回上位机当前电压信息；
所述控制协议的波特率为250k，采用主从通讯方式，上位机为主机，电池模拟板为从机，采用广播方式，从机接受所有总线上的数据帧，并根据数据帧中的地址信息判断是否响应该指令，响应指令后向主机回复响应结果。
根据本发明的另一个方面，提供了上述电池运行特性的以及故障模拟仿真平台的运行方法，包括以下步骤：
步骤一：自动检测电池模拟器中各模拟电池模块间的连接关系，并将连接关系回传至上位机；
步骤二：根据上位机电池仿真软件的运算结果，实现模拟电池输出电压的变化模拟，具体包括以下子步骤：
步骤S21、检测连接关系；
步骤S22、DA输出模拟电压；
进一步地，所述步骤S21具体包括：(1)通过DSP输出端控制继电器，将各个模拟电池模块的地端共同接在一起，使其拥有共同的参考地电位；(2)将DA模块的继电器与正负电极断开，通过软件控制使每一个连接端子BAT在高电平Vcc3.3v和检测端口TP之间切换；(3)上位机向CPU发送控制信息，通过各个CPU先将各模拟电池模块的两个电极电压置位为0，而后按指定的顺序向某个模拟电池模块CPU发送控制信号，控制某一模拟电池模块BAT处于高电平，此时，其他端口的电极BAT连接TP检测端口,合闸的同一时间内,若其它模拟电池模块没有收到高电平信号，则表明两者之间没有连接关系,反之若TP端检测到高电平，则证明该置位端子和该TP端有连接关系；(4)在一段时延后，切换高电平置位端口，依次进行轮询检测,每一次轮询检测，TP端口检测到高电平，则表示TP端口与此时置位的高电平端口有电气连接关系；将每一次的检测结果都记录在各个模拟电池模块的DSP寄存器特定区域内，即得到了全部端口与其他互补端口的连接关系矩阵，上位机和DSP可以根据该关系矩阵得到连接关系，并进行图形化的显示和处理；(5)当检测轮询进行了8次后，完成了对所有端口的置位检测，完成了连接关系检测的所有动作流程；动作完成后，随着上位机端的查询指令下发，记录在每一个电池的DSP中的连接数据，集中发送到总线上，上位机从总线上获取所有连接数据，得到完整的连接关系矩阵。
进一步地，所述步骤S22包括：(1)将第一步中给DA模块供电的电源的参考地电平浮空；(2)DSP芯片通过解析上位机的指令，得到数字信号，再将数字信号通过串口通信的形式传递到DA模块，实现DA模块的有效输出。
附图说明
图1是单台模拟电池模块的内部结构示意图。
图2是本发明的一个实施例的模拟电池系统的结构图。
图3是模拟电池TP端子复用示意图。
图4是检测一号电池正极连接关系示意图。
图5是模拟电池连接关系检测流程图。
图6是电池运行特性及仿真运行平台ER图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明进行进一步说明：
我们对下位机提出如下设计需求：能够通通信接口与上位机通信，根据上位机电池仿真软件的运算结果，实现模拟电池输出电压的变化模拟，同时能够自动检测模拟电池模块间的连接关系，并将连接关系回传至上位机。
如图1所示，单台电池模拟器(包含1块模拟电池模块)的硬件构造：其核心为一块控制芯片DSP及其最小系统，主要外设有DA模块和通信模块。此外还配备了继电器用来切换模拟电池模块的正负端子的连接情况，可以用同样的端子实现功能的复用。模拟电池模块与上位机的通信通过CAN总线进行连接通信。多台模拟电池模块可以同时和上位机通信构成一个模拟电池系统。如图2所示，本实施例采用的是一套四下位机的模拟电池系统。
电池模拟器下位机的运行步骤主要分为两步，按顺序为：
1.自动检测各个模拟电池模块间的连接关系，并将连接关系回传至上位机；
2.据上位机电池仿真软件的运算结果，实现模拟电池输出电压的变化模拟，具体实现过程如下：
第一步：检测连接关系
首先通过DSP输出端控制继电器，将各个模拟电池模块的地端共同接在一起，使其拥有共同的参考地电位，这样就可以进行连接关系的检测。
每一个模拟电池模块的端口都有两个正负电极BAT，用来进行外部连接和连接关系的检测以及AD模拟电压的输出。连接关系的检测，我们需要首先将DA模块的继电器与正负电极断开后，如图3所示，每一个连接端子BAT可以通过软件控制在高电平Vcc3.3v(输出)和检测端口TP(输入)之间切换。(图3)
在确定模拟电池模块的连接关系时，首先，上位机向CPU发送控制信息，通过各个CPU先将各模拟电池模块的两个电极电压置位为0，而后按指定的顺序向某个模拟电池模块CPU发送控制信号，控制某一模拟电池模块BAT处于高电平，此时，其他端口的电极BAT连接TP检测端口
合闸的同一时间内,若其它模拟电池模块没有收到高电平信号，则表明两者之间没有连接关系。反之若TP端检测到高电平，则证明该置位端子和该TP端有连接关系。(图4)
此后，在一段时延后，切换高电平置位端口，依次进行轮询检测。每一次轮询检测，TP端口检测到高电平，则表示自己与此时置位的高电平端口有电气连接关系。故将每一次的检测结果都记录在各自模拟电池DSP寄存器特定区域内，即得到了全部端口与其他互补端口的连接关系矩阵，上位机和DSP可以根据此关系矩阵得到连接关系，并进行图形化的显示和处理。(图5)
当检测轮询进行了8次后，即完成了对所有端口的置位检测后，完成了连接关系检测的所有动作流程。动作完成后，随着上位机端的查询指令下发，记录在每一个电池的DSP中的连接数据，集中发送到总线上。上位机从总线上获取所有连接数据，得到完整的连接关系矩阵。
第二步：DA输出模拟电压
DA模拟输出需要在连接关系检测的步骤结束后进行。由于模拟电池器连接关系的多样性，首先需要将第一步中给DA模块供电的电源的参考地电平浮空才可以进行DA的输出。DSP芯片通过解析上位机的指令，得到数字信号，再将数字信号通过串口通信的形式传递到DA模块，以实现DA模块的有效输出。
上位机和下位机之间的通信方式采用了CAN总线通信。在实现了CAN的数据透传的基础上，我们针对CAN的数据帧制定了更高层的控制协议。
该协议主要传递：1.上位机初始化下位机的复位信息。2.上位机调节下位机模拟电压的数字信息。3.上位机检测下位机连接状态的指令信息。4.上位机控制下位机端口和继电器动作的指令信息。5.下位机返回连接状态的数字矩阵信息。6.下位机返回当前平台运行状态信息。7.下位机返回上位机当前电压信息。
控制协议简述如下：
波特率250k，主从通讯方式，上位机为主机，电池模拟板为从机，采用广播方式，从机接受所有总线上的数据帧，并根据数据帧中的地址信息判断是否响应该指令，响应指令后向主机回复响应结果。
一个标准CAN数据帧为8个字节，将CAN数据帧的8字节作为本平台上位机与下位机通信协议的载体。规定8个字节具体数据如下：
字节7：信息接收端地址
字节6：信息发送端地址，
字节5：操作命令，具体操作命令有但不限于：
从机进入查询状态/从机端口置位/查询从机端口状态/返回全部连接状态/进入复位状态/查询状态结束/电压输出状态/
字节4：从机端口号
字节3：数据内容高八位
字节2：数据内容低八位
字节1：保留(功能拓展)
字节0：保留(功能拓展)
下位机的具体设计需求为：下位机根据上位机通过CAN总线传递的数据帧，进行数据解析。同时需要将用户端的命令要求，按照控制协议，编码封装到数据帧里，通过总线传送给下位机。具有图形化人机交互界面以及模拟仿真运行。
如图6所示，上位机通过LabVIEW语言编写了上位机程序，并且使用G语言和控件设计了图形化的操作界面。在该操作界面中，我们可以对上位机下达包括启动，初始化，检测连接状态，返回连接数据，等一系列操作指令。通过图形化的界面，我们也可以实时直观地看到模拟电池当前的运行状态，例如：当前电压大小，当前连接数据，当前拓扑故障信息等。在该平台中我们可以将当前电池模拟器的运行数据进行故障分析和诊断。同时也可以将该数据导入MATLAB平台进行实时仿真模拟，通过模拟仿真可以比照当前下位机实际运行状况。
相对的，我们也可以从MATLAB平台调用已有的电路数据库和故障信息数据库，将模拟仿真的数据结果带回LabVIEW平台，LabVIEW可以针对仿真平台的数据信息，生成指令改变下位机的运行状态，以实现从模拟仿真平台到下位机实验比照的功能。
本发明的有益效果
整个系统上位机和下位机协同工作，是本发明的模拟电池仿真运行平台的核心成果。上位机的模拟仿真结果可以实际化地由下位机来执行和验证，下位机的工作状态也可实时被上位机监控和修改。两者协同，共同参与模拟电池的相关测试，增加了系统整体的灵活性和操作性，让用户从理论和现实共同参与测试和实验。
因此，本发明具有如下有益效果
第一，本专利设计的模拟电池器为多个模拟电池器协同配合使用，可以测试和模拟更多更复杂的电路工况。
第二，本专利设计的模拟电池运行平台有专属的人机交互界面以及仿真平台，可以对用户在操作过程中更加友好。
第三，本专利模拟电池器体积小巧，安装使用过程十分便利。
Claims (10)
1.一种电池运行特性及故障模拟仿真平台，其特征在于，包括同步运行的上位机和下位机，其中，下位机为拥有DA输出功能的模拟电池板，所述模拟电池板为包括一个模拟电池模块的单台电池模拟器或包括多个模拟电池模块的模拟电池系统；
上位机拥有基于LabVIEW平台和MATLAB仿真平台开发的模拟操作仿真平台，可以与下位机模拟电池板进行信息交互及实时控制，实时显示多个模拟电池模块运行特性以及拟电池模块网络的连接关系，具有电路诊断和故障分析与模拟的功能。
2.根据权利要求1所述的模拟仿真平台，其特征在于，所述下位机的电池模拟器的模拟电池模块采用DSP芯片进行嵌入式编程，每一块模拟电池模块上都有一块独立的DSP控制芯片，在所述DSP控制芯片的最小系统外围，每块模拟电池模块都配备了一个DA转换模块，一个通信模块，两个正负端子；
配备有继电器，用来切换模拟电池器的正负端子的连接情况，其中，正负端子的功能存在复用：当模拟电池模块向外输出时作为AD的外部输出端子，在采集外部连接关系的自检功能时，作为检测端子。
3.根据权利要求1所述的模拟仿真平台，其特征在于，所述上位机的人机交互界面使用LabVIEW语言编写，可根据所接收的下位机上传的信息，用图形界面展现整个模拟电池模块网络的运行特性，识别并存储故障信息，在与MATLAB平台互联时导出信息，生成模拟仿真。
4.根据权利要求1所述的模拟仿真平台，其特征在于，所述上位机通过LabVIEW语言编写了上位机程序，并且使用G语言和控件设计了图形化的操作界面。
5.根据权利要求1-4任一所述的模拟仿真平台，其特征在于，上位机与下位机之间的通信采用了CAN总线通信。
6.根据权利要求5所述的模拟仿真平台，其特征在于，针对所述CAN总线的数据帧，制定有控制协议，传递以下信息：
上位机初始化下位机的复位信息；
上位机调节下位机模拟电压的数字信息；
上位机检测下位机连接状态的指令信息；
上位机控制下位机端口和继电器动作的指令信息；
下位机返回连接状态的数字矩阵信息；
下位机返回当前平台运行状态信息；
下位机返回上位机当前电压信息。
7.根据权利要求6所述的模拟仿真平台，其特征在于，所述控制协议的波特率为250k，采用主从通讯方式，上位机为主机，电池模拟板为从机，采用广播方式，从机接受所有总线上的数据帧，并根据数据帧中的地址信息判断是否响应该指令，响应指令后向主机回复响应结果。
8.一种根据权利要求1-7任一所述的模拟仿真平台的运行方法，包括以下步骤：
步骤一：自动检测电池模拟器中各模拟电池模块间的连接关系，并将连接关系回传至上位机；
步骤二：根据上位机电池仿真软件的运算结果，实现模拟电池输出电压的变化模拟。
9.根据权利要求8所述的运行方法，其特征在于，所述步骤一具体包括以下子步骤：
(1)通过DSP输出端控制继电器，将各个模拟电池模块的地端共同接在一起，使其拥有共同的参考地电位；
(2)将DA模块的继电器与正负电极断开，通过软件控制使每一个连接端子BAT在高电平Vcc3.3v和检测端口TP之间切换；
(3)上位机向CPU发送控制信息，通过各个CPU先将各模拟电池模块的两个电极电压置位为0，而后按指定的顺序向某个模拟电池模块CPU发送控制信号，控制某一模拟电池模块BAT处于高电平，此时，其他端口的电极BAT连接TP检测端口,合闸的同一时间内,若其它模拟电池模块没有收到高电平信号，则表明两者之间没有连接关系,反之若TP端检测到高电平，则证明该置位端子和该TP端有连接关系；
(4)在一段时延后，切换高电平置位端口，依次进行轮询检测,每一次轮询检测，TP端口检测到高电平，则表示TP端口与此时置位的高电平端口有电气连接关系；将每一次的检测结果都记录在各个模拟电池模块的DSP寄存器特定区域内，即得到了全部端口与其他互补端口的连接关系矩阵，上位机和DSP可以根据该关系矩阵得到连接关系，并进行图形化的显示和处理；
(5)当检测轮询进行了8次后，完成了对所有端口的置位检测，完成了连接关系检测的所有动作流程；动作完成后，随着上位机端的查询指令下发，记录在每一个电池的DSP中的连接数据，集中发送到总线上，上位机从总线上获取所有连接数据，得到完整的连接关系矩阵。
10.根据权利要求8所述的运行方法，其特征在于，所述步骤二具体包括以下子步骤：
(1)将第一步中给DA模块供电的电源的参考地电平浮空；
(2)DSP芯片通过解析上位机的指令，得到数字信号，再将数字信号通过串口通信的形式传递到DA模块，实现DA模块的有效输出。
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