基于DSP的自動(dòng)代碼生成及其在電池管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　汽車市場的激烈競爭要求設(shè)計(jì)者必須縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。在傳統(tǒng)的汽車電子控制器的設(shè)計(jì)開發(fā)中，控制器的總體設(shè)計(jì)、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，這種開發(fā)方法還容易出錯(cuò)，直到最終定標(biāo)時(shí)才進(jìn)入實(shí)時(shí)在線測試。如果在最初設(shè)計(jì)時(shí)出錯(cuò)而沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，則會(huì)導(dǎo)致大部分工作必須重新進(jìn)行，開發(fā)周期變長。可見傳統(tǒng)的研發(fā)方法無法滿足市場的需要，必需有一種新的設(shè)計(jì)理念來適應(yīng)市場的需求。

1 V模式的設(shè)計(jì)方法及自動(dòng)代碼生成

　　1.1 V模式的設(shè)計(jì)方法

　　如圖1，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，V模式的設(shè)計(jì)方法將系統(tǒng)工程學(xué)的原理應(yīng)用于現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)開發(fā)中，它是一種循環(huán)的設(shè)計(jì)模式。其特點(diǎn)是無論進(jìn)行開發(fā)、編程或者測試，總是在同一環(huán)境下工作，開發(fā)過程的每一步都可以得到驗(yàn)證[1]。它以功能強(qiáng)大的計(jì)算仿真工具為前提，整個(gè)設(shè)計(jì)過程都是在同一個(gè)平臺下完成，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)理念的提出，到快速原型設(shè)計(jì)（Prototype），再到ECU產(chǎn)品的無縫連接。采用該方法的最直接效果就是加速和簡化了開發(fā)流程，及時(shí)消除錯(cuò)誤，大大減輕了工程師的工作量。

　　1.2 運(yùn)用Simulink實(shí)現(xiàn)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)開發(fā)過程中最為關(guān)鍵的一步，其目的是實(shí)現(xiàn)開發(fā)過程中的快速迭代以提高開發(fā)效率。代碼生成的質(zhì)量直接影響系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)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(tǒng)進(jìn)行多域仿真和基于模型設(shè)計(jì)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(jù)系統(tǒng)的功能要求，首先在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建系統(tǒng)模型，并且進(jìn)行仿真分析。使用Simulink調(diào)試器檢查仿真結(jié)果以及定位和診斷模型中的意外行為。一旦結(jié)果得到了驗(yàn)證，便可以通過RTW(Real-time workshop)自動(dòng)生成面向TI編譯器的C語言工程文件，并進(jìn)一步完成編譯、連接和下載，最終在硬件平臺上運(yùn)行。

　　RTW是和MATLAB、Simulink一起使用的一個(gè)工具，運(yùn)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(yùn)行的程序。在默認(rèn)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(diào)用M文件S函數(shù)的模塊以外，任何Simulink模型都可以生成代碼，包括線性、非線性、連續(xù)、離散以及混合模型[3]。

　　從整個(gè)過程來看，工程師只需在Simulink中搭建模型和驗(yàn)證模型的正確性，不需要書寫任何代碼，即可得到可靠、準(zhǔn)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(shè)備模塊庫、優(yōu)化庫。常用工具包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換通道模塊、目標(biāo)控制器基本參數(shù)設(shè)置模塊和CAN通訊設(shè)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(yùn)算庫和數(shù)字電機(jī)控制庫。

　　Simulink可支持四類C280x DSP外圍設(shè)備模塊庫：存儲(chǔ)器的讀寫模塊、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。用戶在調(diào)用DSP的這些模塊時(shí)，只需對相應(yīng)的模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和選擇，不需要關(guān)心底層是如何實(shí)現(xiàn)，整個(gè)模型的搭建過程就像堆積木一樣簡單。

3 自動(dòng)生成代碼在電池管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　3.1 電池管理系統(tǒng)的功能描述

　　BMS燃料電池車用鋰離子電池管理系統(tǒng)BMS（Battery Management System）是一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)具備以下功能[4]：電池狀態(tài)監(jiān)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(jì)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(yù)充電、過充和過放保護(hù)、絕緣檢測和漏電保護(hù)；電池的均衡和熱管理；故障診斷以及與整車控制器通訊。圖3為BMS系統(tǒng)框圖。

　　由于汽車在處于停車狀態(tài)時(shí)，BMS仍需每隔一定的時(shí)間對電池進(jìn)行監(jiān)控，所以在長時(shí)間停車時(shí)，BMS不可將蓄電池存儲(chǔ)的電量耗完，否則汽車將無法啟動(dòng)。因此在停車時(shí)，BMS必須進(jìn)入低功耗模式。當(dāng)汽車開動(dòng)時(shí)，從KL15傳來的點(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(shù)估計(jì)、SoC估算中，算法復(fù)雜且運(yùn)算量大，控制器需要在較短的時(shí)間間隔內(nèi)完成復(fù)雜的遞推運(yùn)算，這對控制器的計(jì)算能力和計(jì)算速度要求更高。傳統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制器，由于單片機(jī)側(cè)重于控制而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)算能力有限，所以無法很好地滿足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(qiáng)大的控制和信號處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法。該系列DSP上整合了Flash存儲(chǔ)器、快速高精度的A/D轉(zhuǎn)換器、兩路增強(qiáng)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(shè)。32位定點(diǎn)運(yùn)算的C2808 DSP能夠在一個(gè)周期內(nèi)完成32×32位的乘法累加運(yùn)算，或兩個(gè)16×16位乘法累加運(yùn)算。此外，可以在一個(gè)周期內(nèi)對任何內(nèi)存地址完成讀取、修改、寫入操作，使得效率和程序代碼達(dá)到最佳，完全滿足實(shí)時(shí)控制的要求[5]。

　　3.3 電池參數(shù)辨識和SoC估計(jì)算法

　　電池監(jiān)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(jù)這些數(shù)據(jù)對模型的參數(shù)進(jìn)行辨識，從而間接地估計(jì)電池內(nèi)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(nèi)阻，用時(shí)間常數(shù)較小的R1、C1環(huán)節(jié)描述鋰離子在電極間傳輸時(shí)受到的阻抗，時(shí)間常數(shù)較大的R2、C2環(huán)節(jié)描述鋰離子在電極材料中擴(kuò)散時(shí)受到的阻抗。該模型中的參數(shù)都可以通過參數(shù)辨識的方法得到。

　　為了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制和跟蹤隨時(shí)間變化的參數(shù)，在辨識過程中采用遞推的最小二乘法。電池內(nèi)部參數(shù)根據(jù)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(jì)值等于上一次的估計(jì)值加上一個(gè)修正項(xiàng)，修正項(xiàng)的大小取決于模型的輸出與實(shí)際輸出的差項(xiàng)。該方法要求在下次采樣之前必須完成一步遞推運(yùn)算。

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

　　3.4 基于CAN總線的標(biāo)定模塊

　　由于汽車上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，基于網(wǎng)絡(luò)連接的控制單元標(biāo)定和傳統(tǒng)的匹配標(biāo)定方法有很大的不同。基于CAN的電子控制單元的標(biāo)定是電池管理系統(tǒng)控制器開發(fā)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。CCP(CAN Cali-bration Protocol)是CAN總線的標(biāo)定協(xié)議，目前已經(jīng)得到汽車廠商的廣泛應(yīng)用。利用該協(xié)議可以快速有效地對控制器進(jìn)行標(biāo)定。在電池管理系統(tǒng)中，可以利用CCP實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測試、傳感器的監(jiān)測和標(biāo)定、報(bào)警或出錯(cuò)閾值的調(diào)整以及通過CAN下載程序。

　　在傳統(tǒng)的手寫代碼的控制器設(shè)計(jì)過程中，基于CCP協(xié)議的標(biāo)定需要支持CCP協(xié)議的驅(qū)動(dòng)程序。由于ECU底層程序和CCP協(xié)議的驅(qū)動(dòng)程序各不相同，將CCP驅(qū)動(dòng)程序結(jié)合到ECU中需要耗費(fèi)大量時(shí)間。MATLAB 2007b中新增了基于CAN總線的標(biāo)定模塊。將該模塊放入Simulink模型中，并設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，便可以自動(dòng)生成能夠?qū)崿F(xiàn)CCP標(biāo)定的代碼了。

　　3.5 在Simulink中建立模型

　　在建模的最開始必需把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(shè)置，包括芯片的選擇、鎖相環(huán)時(shí)鐘頻率的選擇、存儲(chǔ)器地址分配，以及外圍設(shè)備的一些基本設(shè)置。

　　傳感器輸出模擬信號和數(shù)字信號，對于模擬信號可以用A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對于數(shù)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(shè)計(jì)出相應(yīng)的數(shù)字濾波器，對采樣信號進(jìn)行進(jìn)一步濾波。執(zhí)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(fù)雜，可以用S-function模塊實(shí)現(xiàn)。S-function是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語言描述，是擴(kuò)展Simulink模塊庫的有力工具，它采用一種特定的調(diào)用語法，實(shí)現(xiàn)函數(shù)和Simulink解法器之間的交互。Simulink中的電池管理系統(tǒng)模型如圖5所示。

　　3.6 自動(dòng)代碼生成、編譯以及運(yùn)行

　　在Simulink中仿真運(yùn)行無誤后，便可以從模型直接生成控制算法代碼了。Simulink在內(nèi)部調(diào)用real-time workshop build 并且自動(dòng)打開TI的集成開發(fā)環(huán)境CCS，生成的代碼經(jīng)過編譯自動(dòng)生成可執(zhí)行的最終控制程序。通過USB接口仿真器和14pin標(biāo)準(zhǔn)JTAG調(diào)試連接線將程序燒入目標(biāo)系統(tǒng)中。

　　C2808 DSP有兩種運(yùn)行模式，一種是通過仿真器將程序下載到RAM中運(yùn)行，這種運(yùn)行模式中可以通過仿真器在CCS中設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行、查看存儲(chǔ)器等，對程序的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)試。另外一種模式是將程序下載到Flash中單獨(dú)運(yùn)行，這種運(yùn)行模式不需要CCS 的介入。一般在實(shí)驗(yàn)調(diào)試階段采用RAM模式，調(diào)試成功以后再采用Flash模式單獨(dú)運(yùn)行。

　　利用設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的SoC算法能夠在DSP上在30ms內(nèi)完成一步遞推運(yùn)算，滿足電池管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作的要求。運(yùn)行自動(dòng)生成的代碼并結(jié)合Vector公司的CANape工具成功實(shí)現(xiàn)CCP協(xié)議對RAM和Flash存儲(chǔ)器中參數(shù)的在線標(biāo)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(dāng)吻合，證實(shí)了代碼的正確性。

　　實(shí)踐表明，應(yīng)用DSP取代傳統(tǒng)單片機(jī)作為BMS的控制器，其強(qiáng)大的控制能力和信號運(yùn)算處理能力更能夠滿足電池管理系統(tǒng)的要求。在Matlab/Smulink平臺下用嵌入式的Target for TI C2000實(shí)現(xiàn)控制器自動(dòng)代碼生成，極大地加快了電動(dòng)汽車BMS系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)程，縮短了開發(fā)周期。運(yùn)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(tǒng)的控制作用實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，可靠性高，對電池模型的參數(shù)估計(jì)滿足精度要求。