基于DSP的自動(dòng)代碼生成及其在電池管理系統中的應用

　　汽車(chē)市場(chǎng)的激烈競爭要求設計者必須縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。在傳統的汽車(chē)電子控制器的設計開(kāi)發(fā)中，控制器的總體設計、整體性能分析以及控制策略的優(yōu)化通常需要大量的時(shí)間、人力和物力，投資大、效率低。此外，這種開(kāi)發(fā)方法還容易出錯，直到最終定標時(shí)才進(jìn)入實(shí)時(shí)在線(xiàn)測試。如果在最初設計時(shí)出錯而沒(méi)有及時(shí)發(fā)現，則會(huì )導致大部分工作必須重新進(jìn)行，開(kāi)發(fā)周期變長(cháng)?？梢?jiàn)傳統的研發(fā)方法無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)的需要，必需有一種新的設計理念來(lái)適應市場(chǎng)的需求。

1 V模式的設計方法及自動(dòng)代碼生成

　　1.1 V模式的設計方法

　　如圖1，與傳統的設計方法相比，V模式的設計方法將系統工程學(xué)的原理應用于現代汽車(chē)電子系統開(kāi)發(fā)中，它是一種循環(huán)的設計模式。其特點(diǎn)是無(wú)論進(jìn)行開(kāi)發(fā)、編程或者測試，總是在同一環(huán)境下工作，開(kāi)發(fā)過(guò)程的每一步都可以得到驗證[1]。它以功能強大的計算仿真工具為前提，整個(gè)設計過(guò)程都是在同一個(gè)平臺下完成，實(shí)現從設計理念的提出，到快速原型設計（Prototype），再到ECU產(chǎn)品的無(wú)縫連接。采用該方法的最直接效果就是加速和簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程，及時(shí)消除錯誤，大大減輕了工程師的工作量。

　　1.2 運用Simulink實(shí)現自動(dòng)代碼生成

　　自動(dòng)代碼生成處于V模式的最底層，是整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中最為關(guān)鍵的一步，其目的是實(shí)現開(kāi)發(fā)過(guò)程中的快速迭代以提高開(kāi)發(fā)效率。代碼生成的質(zhì)量直接影響系統的可靠性和穩定性。

　　圖2為基于MATLAB/Simulink的DSP自動(dòng)代碼生成流程[2]。Simulink是一種對于動(dòng)態(tài)系統進(jìn)行多域仿真和基于模型設計的平臺，它提供了一個(gè)交互式的圖形環(huán)境和豐富的模塊庫。根據系統的功能要求，首先在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建系統模型，并且進(jìn)行仿真分析。使用Simulink調試器檢查仿真結果以及定位和診斷模型中的意外行為。一旦結果得到了驗證，便可以通過(guò)RTW(Real-time workshop)自動(dòng)生成面向TI編譯器的C語(yǔ)言工程文件，并進(jìn)一步完成編譯、連接和下載，最終在硬件平臺上運行。

　　RTW是和MATLAB、Simulink一起使用的一個(gè)工具，運用它直接從Simulink模型生成代碼并且自動(dòng)建立可以實(shí)時(shí)運行的程序。在默認情況下，RTW生成的是高度優(yōu)化和完全注釋的Ｃ代碼。除了MATLAB function模塊和調用M文件S函數的模塊以外，任何Simulink模型都可以生成代碼，包括線(xiàn)性、非線(xiàn)性、連續、離散以及混合模型[3]。

　　從整個(gè)過(guò)程來(lái)看，工程師只需在Simulink中搭建模型和驗證模型的正確性，不需要書(shū)寫(xiě)任何代碼，即可得到可靠、準確的代碼。

2 嵌入式Target for TI C2000工具箱

　　Target for TI C2000將TI公司的eXpressDSP工具集成到Simulink中，它是MATLAB與TI CCS的連接工具，可以使MATLAB、MATLAB工具箱、TI Code Composer Studio集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（CCS IDE）以及RTDX（Real-Time Data Exchange）協(xié)同工作。

　　Target for TI C2000工具箱由三部分組成[3]：常用工具、芯片外圍設備模塊庫、優(yōu)化庫。常用工具包括實(shí)時(shí)數據交換通道模塊、目標控制器基本參數設置模塊和CAN通訊設置模塊。該工具箱支持C281x系列、C280x系列以及C2400系列的DSP。優(yōu)化庫包含定點(diǎn)運算庫和數字電機控制庫。

　　Simulink可支持四類(lèi)C280x DSP外圍設備模塊庫：存儲器的讀寫(xiě)模塊、中斷管理模塊、控制模塊以及通訊模塊。除了不支持IIC通訊模塊以外，該模塊庫對C280x DSP板上所有的模塊都提供了很好的支持。用戶(hù)在調用DSP的這些模塊時(shí)，只需對相應的模塊進(jìn)行參數設置和選擇，不需要關(guān)心底層是如何實(shí)現，整個(gè)模型的搭建過(guò)程就像堆積木一樣簡(jiǎn)單。

3 自動(dòng)生成代碼在電池管理系統中的應用

　　3.1 電池管理系統的功能描述

　　BMS燃料電池車(chē)用鋰離子電池管理系統BMS（Battery Management System）是一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)監控系統，應具備以下功能[4]：電池狀態(tài)監控，包括電池工作電壓、工作電流和工作溫度的測量和信號處理；特定狀態(tài)下的最大充、放電功率計算；特定工況下電池組荷電狀態(tài)SoC（State of Charge）、壽命狀態(tài)SoH（State of Health）的估算；高壓預充電、過(guò)充和過(guò)放保護、絕緣檢測和漏電保護；電池的均衡和熱管理；故障診斷以及與整車(chē)控制器通訊。圖3為BMS系統框圖。

　　由于汽車(chē)在處于停車(chē)狀態(tài)時(shí)，BMS仍需每隔一定的時(shí)間對電池進(jìn)行監控，所以在長(cháng)時(shí)間停車(chē)時(shí)，BMS不可將蓄電池存儲的電量耗完，否則汽車(chē)將無(wú)法啟動(dòng)。因此在停車(chē)時(shí)，BMS必須進(jìn)入低功耗模式。當汽車(chē)開(kāi)動(dòng)時(shí)，從KL15傳來(lái)的點(diǎn)火信號將控制器從低功耗模式喚醒，進(jìn)入正常工作模式。

　　3.2 控制器的選擇

　　從BMS的功能可以看出，控制器起控制作用的功能只占BMS的小部分，在實(shí)時(shí)參數估計、SoC估算中，算法復雜且運算量大，控制器需要在較短的時(shí)間間隔內完成復雜的遞推運算，這對控制器的計算能力和計算速度要求更高。傳統的電池管理系統采用單片機作為控制器，由于單片機側重于控制而實(shí)時(shí)數據運算能力有限，所以無(wú)法很好地滿(mǎn)足BMS的要求。TI公司的TMS320C2000系列DSP集微控制器和高性能DSP的特點(diǎn)于一身，具有強大的控制和信號處理能力，能夠實(shí)現復雜的控制算法。該系列DSP上整合了Flash存儲器、快速高精度的A/D轉換器、兩路增強的CAN模塊、事件管理器、正交編碼電路接口、多通道緩沖串口等外設。32位定點(diǎn)運算的C2808 DSP能夠在一個(gè)周期內完成32×32位的乘法累加運算，或兩個(gè)16×16位乘法累加運算。此外，可以在一個(gè)周期內對任何內存地址完成讀取、修改、寫(xiě)入操作，使得效率和程序代碼達到最佳，完全滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制的要求[5]。

　　3.3 電池參數辨識和SoC估計算法

　　電池監控必需先進(jìn)行建模，實(shí)時(shí)檢測電池的電壓、電流以及溫度，根據這些數據對模型的參數進(jìn)行辨識，從而間接地估計電池內部的情況。圖4為鋰離子動(dòng)力電池模型[6]，模型中利用C0描述電池的容量，R0描述電池的等效歐姆內阻，用時(shí)間常數較小的R1、C1環(huán)節描述鋰離子在電極間傳輸時(shí)受到的阻抗，時(shí)間常數較大的R2、C2環(huán)節描述鋰離子在電極材料中擴散時(shí)受到的阻抗。該模型中的參數都可以通過(guò)參數辨識的方法得到。

　　為了實(shí)現自適應控制和跟蹤隨時(shí)間變化的參數，在辨識過(guò)程中采用遞推的最小二乘法。電池內部參數根據電壓、電流信號每次的采樣值進(jìn)行更新，其基本思想是本次的估計值等于上一次的估計值加上一個(gè)修正項，修正項的大小取決于模型的輸出與實(shí)際輸出的差項。該方法要求在下次采樣之前必須完成一步遞推運算。

　　在裝車(chē)運行時(shí)，整車(chē)控制器需要BMS提供高精度的SoC，一般估計精度要小于5%。電池的SoC是不能直接得到的，只能通過(guò)對電池電壓、電流、溫度、內阻等參數進(jìn)行測量間接估算得到。而且這些參數又與電池老化程度、電池單體不均勻性等有關(guān)。目前常見(jiàn)的方法有開(kāi)路電壓法、電流積分法等。

　　3.4 基于CAN總線(xiàn)的標定模塊

　　由于汽車(chē)上網(wǎng)絡(luò )系統的廣泛應用，基于網(wǎng)絡(luò )連接的控制單元標定和傳統的匹配標定方法有很大的不同?；贑AN的電子控制單元的標定是電池管理系統控制器開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要環(huán)節。CCP(CAN Cali-bration Protocol)是CAN總線(xiàn)的標定協(xié)議，目前已經(jīng)得到汽車(chē)廠(chǎng)商的廣泛應用。利用該協(xié)議可以快速有效地對控制器進(jìn)行標定。在電池管理系統中，可以利用CCP實(shí)現實(shí)時(shí)在線(xiàn)測試、傳感器的監測和標定、報警或出錯閾值的調整以及通過(guò)CAN下載程序。

　　在傳統的手寫(xiě)代碼的控制器設計過(guò)程中，基于CCP協(xié)議的標定需要支持CCP協(xié)議的驅動(dòng)程序。由于ECU底層程序和CCP協(xié)議的驅動(dòng)程序各不相同，將CCP驅動(dòng)程序結合到ECU中需要耗費大量時(shí)間。MATLAB 2007b中新增了基于CAN總線(xiàn)的標定模塊。將該模塊放入Simulink模型中，并設置好相關(guān)參數，便可以自動(dòng)生成能夠實(shí)現CCP標定的代碼了。

　　3.5 在Simulink中建立模型

　　在建模的最開(kāi)始必需把C2000 DSP chip support 中的F2808 eZdsp 模塊放到模型中。該模塊是對DSP的基本信息進(jìn)行設置，包括芯片的選擇、鎖相環(huán)時(shí)鐘頻率的選擇、存儲器地址分配，以及外圍設備的一些基本設置。

　　傳感器輸出模擬信號和數字信號，對于模擬信號可以用A/D轉換模塊進(jìn)行轉換，對于數字信號可以用GPIO或者CAP捕獲模塊處理。經(jīng)硬件濾波后的模擬采樣信號還不夠理想，在該模型中可以對采樣信號進(jìn)行快速傅立葉變換，分析出噪聲信號的頻率特性，并設計出相應的數字濾波器，對采樣信號進(jìn)行進(jìn)一步濾波。執行器的控制可以用GPIO或者PWM模塊進(jìn)行控制。

　　由于SoC和SoH以及控制算法較為復雜，可以用S-function模塊實(shí)現。S-function是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統的計算機語(yǔ)言描述，是擴展Simulink模塊庫的有力工具，它采用一種特定的調用語(yǔ)法，實(shí)現函數和Simulink解法器之間的交互。Simulink中的電池管理系統模型如圖5所示。

　　3.6 自動(dòng)代碼生成、編譯以及運行

　　在Simulink中仿真運行無(wú)誤后，便可以從模型直接生成控制算法代碼了。Simulink在內部調用real-time workshop build 并且自動(dòng)打開(kāi)TI的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS，生成的代碼經(jīng)過(guò)編譯自動(dòng)生成可執行的最終控制程序。通過(guò)USB接口仿真器和14pin標準JTAG調試連接線(xiàn)將程序燒入目標系統中。

　　C2808 DSP有兩種運行模式，一種是通過(guò)仿真器將程序下載到RAM中運行，這種運行模式中可以通過(guò)仿真器在CCS中設置斷點(diǎn)、單步運行、查看存儲器等，對程序的運行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監控和調試。另外一種模式是將程序下載到Flash中單獨運行，這種運行模式不需要CCS 的介入。一般在實(shí)驗調試階段采用RAM模式，調試成功以后再采用Flash模式單獨運行。

　　利用設計出的控制器進(jìn)行電流和電壓采樣，電壓采樣精度為1/1000, 電流采樣精度小于5/1000。設計的SoC算法能夠在DSP上在30ms內完成一步遞推運算，滿(mǎn)足電池管理系統實(shí)時(shí)操作的要求。運行自動(dòng)生成的代碼并結合Vector公司的CANape工具成功實(shí)現CCP協(xié)議對RAM和Flash存儲器中參數的在線(xiàn)標定。圖6是測電壓和模型輸出電壓的比較。從圖中可以看出，測量電壓與模型輸出電壓相當吻合，證實(shí)了代碼的正確性。

　　實(shí)踐表明，應用DSP取代傳統單片機作為BMS的控制器，其強大的控制能力和信號運算處理能力更能夠滿(mǎn)足電池管理系統的要求。在Matlab/Smulink平臺下用嵌入式的Target for TI C2000實(shí)現控制器自動(dòng)代碼生成，極大地加快了電動(dòng)汽車(chē)BMS系統的開(kāi)發(fā)進(jìn)程，縮短了開(kāi)發(fā)周期。運行測試表明：自動(dòng)生成的代碼效率高而且可靠，控制器對電池系統的控制作用實(shí)時(shí)準確，可靠性高，對電池模型的參數估計滿(mǎn)足精度要求。