基于LabVIEW的电动汽车电池远程管理系统设计研究

邓 成，高 悦，张 萍

(1.安徽粮食工程职业学院 机电工程系 安徽 合肥 230011；2.安徽水利水电职业技术学院 机电工程学院，安徽 合肥 231603)

2019年7月，工信部组织的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》会议在海南博鳌举行，会议提出要进一步加强汽车与信息通信、交通、能源等相关产业融合发展，提高规划定位，明确新能源汽车与内燃机汽车协同发展路径，重视新能源汽车安全问题[1]。近年来，由于汽车销量的迅猛增加，大量新能源汽车迅速涌入市场，随之而来的安全问题也引起了社会各界的普遍关注。本文基于LabVIEW图形化程序设计语言设计实现了一种新能源汽车远程电池管理系统，为同类系统的设计实现提供了一种典型的技术方案。

1 系统总体设计

1.1 功能简介

本系统功能设计包括以下两部分：第一部分是使用LabVIEW和Keil设计了新能源汽车终端数据采集部分；第二部分是使用LabVIEW中的.net和ActiveX调用功能设计了上位机监控部分,两部分的数据通过云服务器进行传输[2]。

1.2 结构设计

本系统按照自下而上进行设计，支持多终端同时在线的运行方式，具体的物理结构如图1所示。

图1 系统物理结构

电动汽车终端的电池组信息、传感器信息、执行器状态等通过CAN总线进行采集，采集终端负责进行信息交互，传输信息并执行上位系统下发的指令。采集终端与云端服务器通过标准API接口进行信息交换，服务器提供了标准的数据存储转发服务，支持权限验证机制，确保系统数据安全。上位监控终端与服务器进行信息交换，支持多终端同时在线工作方式[3]。

功能层面分为数据采集和数据分析两个功能块。数据采集主要是依靠采集终端完成新能源汽车电池数据的采集工作，数据分析主要是依靠上位机硬件资源对基础数据进行分析与计算，关键计算结果传回服务器进行存储和转发操作。

2 采集终端系统设计

2.1 硬件设计

车载数据采集系统的主要硬件组成有嵌入式微处理器、CAN总线数据通信模块、以太网通信模块、UART串行通信模块、虚拟USB通信模块、GPIO数据采集模块、车载供电电源模块等几个主要部分组成。

图2 车载终端的硬件结构

根据图2车载终端的硬件结构设计，硬件电路核心控制器是ARM公司的STM32F407ZGT6处理器，处理器外围扩展了前述硬件功能模块。其中GPIO和ADC转换部分主要用来采集现场的常规数字量和模拟量信号；电源电路提供了从车载蓄电池直接取电的设计，同时还考虑了必要的保护和管理功能；通讯电路根据通信通讯对象和功能的不同被设计成串行通讯、USB通讯、以太网通讯和CAN通讯四个功能模块；电路设计过程中除了功能设计以外，还需要注意辅助电路和系统抗干扰方面的设计，本方案中设计了专门的复位电路和调试电路。下文重点对CAN节点和TCP/IP以太网模块的设计做详细阐述。

2.1.1 CAN节点的设计

在汽车领域，基本上所有的电子设备都会支持以下3种总线通信：CAN、LIN和FlexRay，这3种总线类型与ECU进行信息交互时，CAN总线使用频率最高[4]。虽然STM32芯片内部集成了CAN协议控制器，但是仍然需要外接一个CAN总线收发器才能与总线上的其它节点进行通信。设计方案选用了TJA1050收发器芯片进行电平转换，同时它与STM32之间还增加了ADUM1201高速光耦，保证了信号传输的稳定性。

根据CAN节点引脚连接原理图，ADUM1201将车载CAN总线的接收端和发送端分别进行隔离，同时增加了去偶电容用来减少电源噪声的干扰，确保后续信号的稳定可靠传输。TJA1050收发芯片将处理后的RX信号转换为CAN总线上的差分电平输出，同时将总线上的差分信号转换为TX信号，输入到STM32的CAN接收缓冲区。默认情况下STM32中的CAN引脚与USB占用的两个引脚是完全重合的为了让用户能够同时、独立使用CAN功能与USB功能，我们在设计采集板时，特意将CAN的两个信号引脚接到了TJA1050上面，用户只需要在CAN总线初始化时，重映射物理引脚即可。在TJA1050输出端为进一步提高系统稳定性，我们采用了在CAN_H1和CAN_L1之间串入3.3K的限流电阻、增加120Ω的阻抗匹配电阻、旁路电容和TVS管等方式确保硬件合理可靠。

2.1.2 TCP/IP网络模块的设计

随着5G和物联网技术的发展，网络传输的带宽和稳定性越来越好，TCP/IP在工业以太网现场总线中的应用也越来越多[5]。为了让数据采集系统与云端和上位机之间数据传输的实时性满足要求，采集终端基于ENC28J60芯片设计实现了网络传输模块。本项目中通过处理器的SPI总线接口以及两个中断引脚与ENC28J60实现命令和数据交互，二者之间的数据传输速率可达10Mb/s。此外，我们还利用了ENC28J60预留的两路接口来控制LED灯的闪烁，用于指示当前的网络活动状态。

2.2 软件设计

采集终端软件设计采用了LabVIEW Embedded Module for ARM Microcontrollers 模块，该模块是NI LabVIEW 嵌入式开发工具包之一，可为全球最热门的嵌入式32位精简指令集运算(RISC)微控制器(ARM 处理器)提供图形化编程[6]。本工具是集成了Keil RealView MDK微控制器IDE和LabVIEW嵌入式技术开发工具包，能够向用户提供无缝即时的嵌入式编程体验。工具本身集成了硬件通信接口VI，包含了常见的RSR232串口通信VI、TCP以太网通讯VI、CAN局域网通信VI等，这些VI可以极大地提高用户程序开发的效率。

采集终端软件系统的功能从项目研发需求出发，设计了数据采集处理功能、服务器登录和接入功能、数据解析功能、指令执行功能，所有功能以演示系统版本形式进行开发与设计，具体功能在系统调试部分进行全面检验[7]。采集终端的网络接入、数据收发、数据解析和终端LCE显示屏控制程序的具体程序设计如图3、图4所示。

图3 网络接入、数据解析程序

图4 显示屏程序

3 上位机监控系统设计

3.1 数据服务器

本系统中数据服务器采用第三方数据服务器来实现，我们选择了三易电子工作室提供的“易监控”服务云平台。在整个系统架构中，该服务平台是本系统的中转站，主要负责数据的中转、处理、存储及异常信息的多样报警等功能。平台提供标准的API数据接口可方便的与采集终端和第三方云应用进行信息交互，为后期平台功能的扩充提供了条件。

3.2 上位机系统设计

上位机系统基于LabVIEW2016的前面板实现了人机交互功能，后台主要通过NI提供的标准工具选板和网络通信工具选板实现的与服务器之间的连接、登录、数据交换、数据解析和异常处理功能。连接功能的实现是通过数据通信→协议→TCP选板中的打开TCP连接、读取TCP数据、写入TCP数据、关闭TCP连接工具实现了系统的登录和数据传输功能。

系统基于LabVIEW的顺序结构设计了上位机启动后的配置读取、登录、数据处理和状态显示功能，具体程序如图5所示。数据收发处理与解析功能是系统重要核心功能，具体设计程序如图6所示。

图5 远程登录

图6 数据解析与处理

4 系统调试

我们采用4块单体电池模拟电动汽车电池组状态信息，研究过程需要监控的数据类型如表1所示。

表1 电池组数据信息

根据表1中的数据性质，我们选取电量信息和状态信息作为数值类型和开关量类型的样本进行功能测试。只要样本数据正常，相同性质的数据功能均可正常。将采集终端程序和上位机程序进行编译导出后，在测试环境中进行功能测试。采集终端程序通过Keil RealView MDK编译后生成C代码，通过USB数据线下载到终端硬件设备。下载过后进行数据采集和服务器登录功能测试，终端数据可正常采集。终端自动登录服务器并进行数据收发，同时界面提示相关信息。数据收发完成后可进行解析并根据程序执行相应动作，数据自动发送至服务器进行转发，接收的命令在终端执行，并通过指示灯进行状态指示。

数据服务器能够正常进行数据转发、报警指示、远程监控、设备管理等功能。可以正常接收终端发送过来的传感器信息和开关控制信息并进行显示转发和报警处理功能，通过管理界面可进行相应的具体操作。服务器管理指示界面如图7所示。

上位机管理监测平台通过LabVIEW设计实现，根据设计程序进行编译执行后上位管理监测平台自动启动运行。用户可以通过读取配置和手动输入登录信息两种方式登录平台，平台运行主界面如图8所示。

图7 服务器管理界面

图8 上位机界面

平台分为登录控制区、数据收发区、自定义功能发送区、指令解析区、快速收发区几个主要功能区域，界面简洁大方。平台可完成对服务器数据的收发功能，用户可以按照API接口规则自定义发送操作代码至采集终端。通过测试验证平台功能正常，响应速度快，功能稳定。

5 结语

本文基于LabVIEW图形化程序设计语言开发设计了新能源汽车电池远程监测管理系统的采集终端和上位监控管理终端，借助第三方数据服务平台进行数据的转发和存储服务，支持多终端同时在线。系统功能稳定、响应速度快、开发周期短、实现成本低、功能扩充方便，实现了对实现新能源汽车远程电池运行状态的监测管理功能，为同类系统的设计提供了一种典型的技术方案。