一种轻量级跨平台的轨道交通蓄电池数据监控上位机平台的制作方法

本发明涉及一种蓄电池数据监控上位机，具体说是一种轻量级跨平台的轨道交通蓄电池数据监控上位机平台。

背景技术：

在嵌入式软件开发的全生命周期中，主流的开发环境有windows和linux等，前瞻性的选择一款同时可以适配windows平台下的开发环境和linux平台下的开发环境的蓄电池管理系统的监控上位机开发平台，是尤为的重要，这样不至于当系统的软硬件升级换代后，监控上位机软件也要重新开发。因此需要这款上位机监控软件可以满足跨平台的需求，对于开发人员的需求有一个清楚的定位和选择。

在目前的大多数的实际应用中，很大部分蓄电池管理系统的监控上位机是基于labview平台开发的。基于labview平台开发的监控上位机具有一些缺点：labview是根据图形化编程语言的开发环境，但是其用户使用的时候，需要根据自己电脑的系统不同版本下载安装的不同的集成运行引擎；由于基于labview开发出的监控上位机安装包较大，用户使用时需要占用用户所使用的电脑很大的运行空间；基于labview开发的上位机只能运行在windows操作系统下，当目标控制板升级为arm，需要运行在当下主流的linux操作系统的时候，对于开发者来说，还需要再开发出一款基于linux操作系统的监控上位机；对于labview在一些个性化的设计中，显得比较古板，当用户提出一些需求的特定功能时，其自身的开发环境提供的功能显得杯水车薪。例如提供一些电脑的常用功能的接口。

目前基于qtcreator开发的软件支持windows，linux，freebsd等操作系统。由于qtcreator提供了丰富的api，包括多达250个以上的c++类，还提供基于模板的collections，serialization，file，i/odevice，directorymanagement，date/time类。甚至还包括正则表达式的处理功能。还同时将图形化编程和代码编程的选择和应用进行了深度的开放和使用，在利用gui图形的便利的同时再结合c++语言的应用，将两者亲密的结合。利用上述的这些接口，除了可以满足用户对监控上位机传统的数据监控功能外，将计算机的常用功能接口进行了集成。因此利用其提供的丰富的api接口，满足用户的多样化需求。同时qtcreator提供了python代码的接口，利用python的开源，可移植性，可扩展性，丰富的库等优越的特性，可以实现更为强大的功能延伸及扩展。

并且，基于qtcreator开发则天生具有优良的跨平台特性，可以满足用户的全方位的需求。其对于用户而言，无需额外安装附加的运行引擎或者运行环境；且运行软件安装包非常小，其运行效率也有了很大的提升。

在轨道交通的蓄电池储能系统中，主控模块担任了举足轻重的角色，既包含对从控模块的交互控制，各个子部件的状态健康及控制，又承接上层系统的交互和控制，但其本身不能将这些运行参数显示出来，必须通过监控上位机才能把数据直观地显示出来，进而做一些处理和优化，便于使用者监控及处理。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种轻量级跨平台的轨道交通蓄电池数据监控上位机平台。本申请旨在解决目前在轨道交通行业中，对蓄电池系统内部的电池管理系统进行数据监控分析的上位机监控软件在使用和开发时存在着一定的可优化改进之处，力争寻求一种轻量级跨平台的监控软件。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种轻量级跨平台的轨道交通蓄电池数据监控上位机平台，包括监控上位机、电池系统、若干从控单元、主控单元、分线盒、协议转换卡、数据记录仪、烟雾报警器、风扇、绝缘检测模块和高压器件等模块；

所述主控单元分别与若干从控单元、协议转换卡、数据记录仪、烟雾报警器、风扇、绝缘测试模块和高压器件连接，所述从控单元与电池系统连接；

所述分线盒是数据的集散中心，用于将主控单元和从控单元的通讯can进行连接，将监控上位机通过can卡或以太网卡与分线盒can连接，达到解析内网数据的目的；将主控单元与协议转换卡、数据记录仪、绝缘测试模块、列车网络与控制系统的can连接，完成对外通讯的目的；

所述电池系统包括若干组蓄电池模组，所述蓄电池模组是由若干电池单体进行串并联，再将外围的导热硅胶垫、风道、热缩管通过激光焊接而成；

所述每个从控单元连接若干蓄电池模组，用于检测相应蓄电池模组中所有电池单体的信息，并发送给主控单元；

所述监控上位机是基于qtcreator开发环境开发的，用于监控并显示主控单元发送的信息等；

所述协议转换卡与分线盒的整车can连接，协议转换卡用于将主控单元的整车can中的can报文转换为列车网络协议，并将转换后的协议报文发送给列车网络与控制系统；

所述数据记录仪为类似于黑匣子，用于记录主控单元和所有从控单元的数据报文；

所述烟雾报警器用于检测电池系统内部是否发生火灾；

所述绝缘检测模块用于检测电池系统的总正及总负对地的绝缘电阻值；

所述高压器件为用于控制蓄电池动力输出的总正接触器、总负接触器或预充接触器等。

在上述技术方案的基础上，所述主控单元发送的信息包括：系统编号，生命信号，soc，soh，总电流，内总压，外总压，电池系统的最高单体电压及其位置信息，最低单体电压及其位置信息，最高单体温度及其位置信息，最低单体温度及其位置信息，压差，温差，最大允许充电电流，最大允许放电电流，充电总ah，放电总ah，从控单元的个数，故障状态，继电器的状态，数字输入状态，bms时钟，bms上次下电时间，数字文件保存状态及保存路径，详细故障信息，故障阈值和故障恢复阈值等。

在上述技术方案的基础上，所述相应蓄电池模组中所有电池单体的信息包括：该从控单元中所有电池单体的电压信息和温度信息，该从控单元中最高单体电压及位置信息、最低单体电压及位置信息，最高单体温度及位置信息、最低单体温度及位置信息，单体电芯均衡状态等。

在上述技术方案的基础上，所述监控上位机包括基础显示单元、拓展显示单元、交互信息单元、常用应用接口模块和diy显示模块；

所述常用应用接口模块用于提供用户在调试过程中所需的应用接口，包括计算器，记事本，打开网页等；

所述diy显示模块用于显示当前系统中特殊的部件信息，包括绝缘测试模块信息、风扇信息、烟雾报警器信息，与变流器的交互数据值，与整车的交互数据值及其他需要额外显示处理的数据。

在上述技术方案的基础上，所述基础显示单元包括：线程模块、单体显示模块、单板信息显示模块和故障信息显示模块；

所述线程模块：在主ui线程中创建的专有线程，用于对数据流进行解析、判断和赋值，将其存放在全局变量中，其它模块根据自身的需要对全局变量中的数据进行调用；

所述单体显示模块用于直观的显示整个电池系统中所有电池单体的电压数据、温度数据和均衡状态；

所述单板信息显示模块用于显示当前从控单元所检测的电池单体的电压数据、温度数据、位置信息、电池单体均衡状态、从控单元的生命信号和故障信息；

所述故障信息显示模块：包括主界面提示及详细故障显示，用于显示当前蓄电池模组的故障状态、故障等级、故障内容、触发当前故障值的阈值等故障信息。

在上述技术方案的基础上，所述拓展显示单元包括：模拟调试帧模块、故障码的解析模块、主要参数的曲线分析模块、加密注册模块、过程数据记录模块、输入输出个性化定制模块、均衡控制模块和故障信息读取解析模块；

所述模拟调试帧模块用于在调试环节与主控单元进行交互操作，或者根据具体调试工况条件设置交互接口；

所述故障码解析模块用于解析主控单元发送的信息、从控单元检测的相应蓄电池模组中所有电池单体的信息中的故障代码；

所述主要参数的曲线分析模块用于实时在线查看关键参数之间的关联情况；

所述加密注册模块用于对监控上位机进行加密，防止监控上位机被恶意使用或者在未授权的情况下进行不正规的使用等；

所述过程数据记录模块用于将所述主控单元发送的信息、从控单元检测的相应蓄电池模组中所有电池单体的信息和故障代码所包含的故障信息进行解析后以数据文件的形式保存到本地，为以后的数据分析奠定基础；

所述输入输出个性化定制模块用于根据不同项目的电气原理，动态的适用项目实际所使用的输入、输出接口；

所述均衡控制模块用于在工厂测试或者客户首检等需要强制开启均衡的场合，对电池单体进行均衡控制；

所述故障信息读取解析模块用于读取主控单元内部的存储芯片中的信息、并解析成通俗且可视化的信息格式，以查看导致故障的原因。

在上述技术方案的基础上，所述交互信息单元包括软件升级模块和诊断标定模块和从板配置模块；

所述软件升级模块用于远程更新主控单元和从控单元的软件程序；

所述诊断标定模块用于读取及设置故障阈值及故障恢复阈值；

所述从板配置模块用于校正从控单元中实际采集的单体电压配置和单体温度配置。

本发明取得的有益的技术效果：

本发明所述的监控上位机平台通过获取内网总线上的数据，直观地将蓄电池的信息显示出来，方便开发人员及维护测试人员对蓄电池进行监控及故障分析等。既可以在线的查看关键指标的曲线，又可以将数据信息保存到本地文件中，以便在后续对数据深度解析和分析，更加深刻的了解当前蓄电池系统的功能特性，性能特性，功率特性。

本发明目前已经在储能蓄电池电池管理系统的内网监控进行了成功的应用，其轻量级无需附加的运行环境大大减少了不必要的问题；适配当前的辅助型蓄电池系统和动力集中型系统两大种类。且其包含的各项功能目前基本涵盖了日常调试监控时所需要的需求，主要包括基本的监控显示功能：主界面核心信息的显示：所有单体的显示、单个从板的显示、故障信息等；拓展显示：调试帧的模拟、界面输入输出的个性化定制、内网数据报文的存储、上位机唯一性适配注册、故障码的解析、主要参数的曲线分析等；交互功能：诊断标定(读取及设置故障阈值及故障恢复阈值)，电池管理系统软件升级。

本发明可在当下主流的linux和windows环境下运行，为之后的升级换代奠定了基础。

附图说明

本发明有如下附图：

图1本发明所述监控上位机平台的架构示意图；

图2所述蓄电池数据监控系统的功能联系示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

首先对目前市场上所接触到同行业的监控上位机所使用的开发平台，上位机目前的使用现状，包括一些优点，缺陷和需要改进的地方。结合自身发展需求和未来的规划，确定需要使用的开发平台方案，主要是根据轻量级，可以适用未来的产品升级需要满足跨平台，具备图形化gui界面设计，具备软件代码编写要求，最后选用基于qtcreator的开发平台进行开发。在既定的方案前提下进行初步的软件设计和开发策划，之后在方案启动会中结合目前项目中的需要增加的功能和需要改进的功能进行初步的软件需求分析。

如图1所示，为本发明所述基于的蓄电池储能系统，在此系统上开发了监控上位机，其可以监控系统的运行状态及各项参数。为了便于理解，下面将结合附图对本发明作进一步详细描述：

首先应该明确的是本发明所述的监控上位机是数据的可视化呈现，需要一定的载体作为承接，进而创新性的将蓄电池系统的can诊断和以太网诊断进行了深度的兼容。针对两种不同的通讯方式，根据其工作原理，运行速率，吞吐速率，各自优缺点等因数的差异，采取了不同的解析机制。

本发明所述轻量级跨平台的轨道交通蓄电池网络数据监控上位机平台，包括监控上位机、电池系统、从控单元、主控单元、分线盒、协议转换卡、数据记录仪、烟雾报警器、风扇、绝缘检测模块和高压器件等模块；正是通过这些模块的协调配合，从而保证了蓄电池的安全、可靠，高效的运行。

所述主控单元与从控单元、协议转换卡、数据记录仪、绝缘测试模块通过can或者485通讯交互；与烟雾报警器、风扇、高压器件通过硬线连接，检测硬线的数字输入及数字输出信号进行判断；

所述电池系统包括若干组蓄电池模组进行串并联，进而成为一个整个对外进行输出，所述蓄电池模组由若干个电芯串并联而成，之后再将热缩管，导热硅胶垫等导热散热的材料激光焊接而成；

所述监控上位机基于qtcreator集成开发环境进行开发，用于监控并显示主控单元和从控模块所发送的信息，将原始数据进行解析，处理，以更为直观且人性化的形式显示到ui界面上；

所述协议转换卡通过分线盒将主控单元的整车can和列车网络与控制系统进行连接，协议转换卡用于从主控单元中接收can数据报文，将报文转换为mvb/trdp/udp/canopen等列车网络协议，进而完成与当下主流的列车网络系统进行数据的交互和控制。

接下来进行详细的软件设计，第一步进行概要设计，拟定概要设计说明书，编制的目的是说明对上位机程序系统的设计考虑，包括程序系统的功能模块的基本处理流程、程序系统的组织结构、模块划分、功能分配、接口设计。运行设计、数据结构设计和出错处理设计等，为程序的详细设计提供基础。之后进行详细设计，拟定称程序设计说明书。编制目的是说明一个软件系统各个层次中的每一个程序(每个模块或子程序)的设计考虑，如果一个软件系统比较简单，层次很少。在上述步骤实施完成后，对既定的要求进行软件模块的实现和测试，同时搭建试验平台，验证软件的可靠性，随后对之前的功能模块进行系统的集成和测试。在有阶段性的成果之后进行评审会的审议，根据会议结果对软件进行相应的优化和升级。最后进行软件的发布，编制相应的文件，记录软件的升级过程中的问题及解决方法，对上位机软件的长期运行进行有效的跟踪，确保其在整个生命周期中平稳运行。依据上述的开发流程使得我们可以科学高效的开发监控上位机，其运行的机理可描述为：整个上位机主界面和处理为一个主ui线程，在程序本体对线号与槽进行绑定，点击界面上的每个功能按键就可以出发相应的信号，进而进入槽函数运行目标函数内容。

首先对于整个电池系统而言，其电量来源是由蓄电池模组pack根据具体项目需求和工况进行串并联而成，而蓄电池模组又是由一个一个电芯进行串并联之后，增加了导热硅胶垫、风道、热缩管等耐高温新型材料进行激光焊接而集成的一个最小单元。而每一个从控单元负责若干个模组的单体电压和单体温度的检测，这些数据通过can总线与主控单元建立连接，成为了蓄电池系统的核心基础数据来源。主控单元又通过霍尔电流和霍尔电压传感器掌握了对外输出的生命线，在此基础上，进而对蓄电池内部的其他控制单元进行交互和控制，在围绕模组附加上外围的分线盒、协议转换卡、绝缘检测模块、风扇、接触器等元器件，共同构成了整个蓄电池系统。这些单元的协同工作保证蓄电池的安全高效运行。对于诊断方式，根据现有的项目需求，需同时适配can及高速以太网的调试需求。每一种诊断方式需要借助外界的转换模块，以实现不同的数据流可以被开发平台识别进而进行解析的目的。而对于每一种通讯方式的选择是根据具体的项目的情况进行选择，由于电池管理系统本身只有can通讯，所以在can诊断的情况下，借助于can卡，进而将电池管理系统的can数据流与开发平台进行了巧妙的连接，开发平台通过调用其can卡的动态链接库中的各种api进行操作，之后便可读取到can数据流，在创建can类时，由主线程创建一个额外的线程，此线程专门进行接收数据和拆解数据，将数据类型定义为全局变量后供其他功能体调用，除此之外，当需要进行信息提示或者需要做一些其他事项时，需要在接收到信息时发射信号，当然这个信号也需要在需要执行的功能体创建的时候进行信号与槽的绑定。从而在接收到信号后在槽函数中进行相应的响应操作，以完成我们需要实现的功能需求。

随着轨道交通智能化不断推进的潮流下，列车上子系统的维护端口越来越多的采用以太网的方式，既便于统一管理又可大大的提高效率。我们采用借助于can转以太网的网卡，进行协议的转换，而对于以太网的处理方式又根据不同否认蓄电池系统的配置可分为直接式处理和间接式处理，间接式处理即利用网卡动态链接库进行处理，直接式处理即利用qt强大的以太网接口类qudpsocket，使用类中的对象和方法实现对网络上的数据进行拆解和交互等功能。

本发明所述监控上位机平台充分考虑到其应用场景及面向的使用者，对需求功能进行了深度的挖掘和拓展。所述蓄电池数据监控上位机根据其处理方式，复杂度和适用场合等可以划分为基础显示单元、拓展显示单元、交互信息单元、常用应用接口模块和diy显示模块。所述基础显示单元包括：线程模块、单体显示模块、单板信息显示模块和故障信息显示模块。所述拓展显示单元包括：模拟调试帧模块、故障码的解析模块、主要参数的曲线分析模块、加密注册模块、过程数据记录模块和输入输出个性化定制模块、均衡控制模块、故障信息读取解析模块。所述交互信息单元包括软件升级模块和诊断标定模块和从板配置模块。

各个模块的界面创建是通过主界面上的按钮点击，触发相应的信号，通过与信号绑定的槽函数中进行界面的创建和界面相关数据内容的初始化，也就是qt最核心的信号与槽机制。在需要对接收到的数据进行反馈或者进而需要对数据进行进一步处理时，需要对这两个模块也进行信号与槽的绑定，此时需要将这两个类申明为主类的成员，例如线程模块和软件升级模块，线程模块和诊断标定模块等。下面对各个功能模块进行简要的说明。

所述常用应用接口模块用于提供用户或者开发人员在调试过程中所需的常用的应用接口，例如计算器，记事本，打开网页等，不需要再额外的打开这几个应用，只要在监控上位机上进行相应的点击即可使用，很大程度上提高了用户的使用感和便捷度；

所述diy显示模块用于显示当前系统中特殊的部件信息，这些信息都是经过主控单元内部软件进行处理，当出现故障时需要根据其故障原因分析其故障原因，因而在分析判断时，将参数进行在监控上位机显示也显得尤为的重要。例如绝缘测试模块信息、风扇信息、烟雾报警器信息，与变流器的交互数据值，与整车的交互数据值及其他需要额外显示处理的数据，尤其是在整车联调阶段，准确的查看两者之间的交互报文信息，可以更好的把握软件的运行情况和逻辑判断执行情况，进而更快的找到软件中的不足之处，并将其优化完善；

所述线程模块：在主ui线程中创建的专有线程，用于对网络中的数据流进行接收，解析、判断和赋值，将其存放在预先定义好的全局变量中，其它模块根据自身的需要对全局变量中的数据进行显示或者再加工处理时对其进行调用，已完成自身模块的功能需要；

所述单体显示模块用于直观的显示整个电池系统中所包含的从控单元检测到的电池单体的电压数据、温度数据及均衡状态；

所述单板信息显示模块用于显示当前从控单元所检测的电池单体电芯的电压数据、温度数据、位置信息、电池单体均衡状态、该从控单元的生命信号，故障信息；

所述故障信息显示模块：包括主界面故障提示及点击后查看到的详细故障显示，其用于显示当前蓄电池系统的电池系统故障和硬件故障。电池系统故障显示的状态有：故障状态(是否有故障)、故障等级(一二三级故障)、何种故障信息；

所述模拟调试帧模块用于在调试环节与主控单元进行交互操作或者为了满足具体调试工况条件下在软件中事先增加的调试交互接口；

所述故障码解析模块用于解析监控上位机平台保存在本地目录下的数据文件中的故障代码，如在调试环节蓄电池因某种原因发生故障时，将本地文件中的故障代码复制到该选项框中，进而就会解析出其故障代码中所包含的故障信息；

所述主要参数的曲线分析模块用于在监控数据的同时实时在线查看关键参数之间的关联情况，比如需要实时了解系统的温升情况时，可以查看总电流和最高单体温度两个参数之间的关系即可清晰直观的对当前的系统有一个准确的认识和把握；

所述加密注册模块用于对监控上位机进行加密，防止监控上位机被恶意使用或者在未授权的情况下进行不正规的使用等，第一个加密手段是基于电脑的mac地址做了一个算法，进而生成的一个密匙，第二个加密手段是通过将监控上位机和主控单元的报文做了一个交互校验，只有当正确无误的捕捉到识别帧才可以通过第二层校验，只有这两个都正确无误的校验成功，才可以打开上位机；

所述过程数据记录模块：在监控上位机平台在打开的过程中将内网中的原始数据经过解析，处理后，以.csv数据文件的格式保存到本地，为分析电池特性，电芯极化提供的真实有效的数据来源；

所述输入输出个性化定制模块用于根据不同项目的电气原理图，动态的适用项目实际所使用的数字输入及数字输出接口名称，以方便实时的在上位机上查看数字接口的状态；此功能主要针对不同项目而开发，由于项目系统的配置不同，所使用的数字输入和输出也相应的有所差异，为了增加可操作可兼容性，尤其是需要将监控平台交给甲方时，一种通用的接口显示格外的重要；

所述均衡控制模块在正常不满足均衡的条件下，可以通过发送指令来强制开启均衡，同时还可以设定开启均衡的时间；

所述故障信息读取解析模块是读取主控单元内部的一个存储芯片中所保存的关键信息，将其原始数据保存到本地文件中，从而再对原始数据文件进行解析，以此来查看是何种原因导致的故障产生；

所述软件升级模块用于远程更新主控单元和从控单元的软件程序，同样提供can及以太网两种通讯方式，同时在界面上可以将软件更新时上位机的和主控单元及从控单元在更新软件的过程中的重要的交互流程进行了显示，从而准确的获取到当前更新的状态；

所述诊断标定模块用于读取及设置保存在主控单元的eeprom程序储存器中的故障阈值及故障恢复阈值。在厂内调试或者整车静态联调时，用以模拟各种报警及故障信息；所述从板配置模块，主要是用于在厂内调试的的最开始阶段，根据不同的项目中使用的从控单元中连接的电池模组的情况，配置每个从控单元所采集的单体电芯的单体电压配置及单体温度配置。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。