用于电池管理系统的控制芯片及数据传输方法与流程

1.本技术锂离子二次电池管理系统领域，特别涉及用于电池管理系统的控制芯片及数据传输方法。


背景技术：

2.电池管理系统(battery management system)是对于广泛应用于新能源汽车、两轮电动车以及小型电子产品中的二次电池进行电量管理的系统。其可以保证防止电池出现过充电现象，引起电池爆炸，并发生火灾，也可以防止电池过度放电，丧失正常的放电功能。
3.相关技术中，bms内部具有能够感应可能发生的错误情况并对应进行保护的功能模块，此类功能模块都具有模拟形态的元件，被称为模拟前端(analog front end，afe)模块，通过afe模块的内部功能，bms可以实现对于电池充放电的管理。故相关技术中，通常使用分离的微控制单元(microcontroller unit，mcu)电路和afe电路连接，以提供更加高效的bms功能，并组成多种形态的bms。在相关技术的一种实现方式中，mcu电路所执行的功能与afe电路所执行的功能集成于一个芯片当中，可以提高bms的集成程度，降低使用成本。
4.然而，相关技术中，当芯片内集成有mcu模块与afe模块时，由于mcu模块以及afe模块执行对应功能时，实际需求的电压不一致。在此情况下，若mcu模块与afe模块之间直接连接并进行数据传输，会由于二者的工作电压不一致，导致芯片的工作不稳定，极易产生故障。


技术实现要素：

5.本技术关于一种用于电池管理系统的控制芯片及数据传输方法，可以提高芯片的工作稳定程度，减少故障发生的概率。该技术方案如下：
6.一方面，提供了一种用于电池管理系统的控制芯片，该控制芯片包括微控制单元mcu模块、模拟前端afe模块以及串行外设接口spi总线；
7.mcu模块中包括中央处理器、存储器、控制器以及spi主端接口，中央处理器分别与存储器、控制器以及spi主端接口连接；
8.afe模块中包括afe功能组件、至少两个afe数据寄存器以及spi从端接口，afe功能组件与spi从端接口通过至少两个afe数据寄存器连接；
9.spi主端接口以及spi从端接口通过spi总线串联连接；
10.spi总线上具有四个电平转换器。
11.另一方面，提供了一种数据传输方法，该数据传输方法应用于如上所述的用于电池管理的控制芯片中，该方法包括：
12.mcu模块通过spi主端接口向afe模块发送控制指令，所述控制指令用于控制所述afe模块执行对应的动作，所述控制信息通过spi总线传输，且在传输过程中通过电平转换器进行电平转换；
13.所述afe模块通过spi从端接口接收所述控制指令；
14.所述afe模块进行控制指令的验证，得到控制指令验证结果；
15.所述afe模块基于控制指令验证结果，通过afe功能组件生成反馈信息；
16.所述afe模块通过所述spi从端接口向所述mcu模块发送所述反馈信息，所述反馈信息通过所述spi总线传输，且在传输过程中通过所述电平转换器进行电平转换；
17.所述mcu模块通过所述spi主端接口接收所述反馈信息。
18.本技术提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
19.(1)、在将bms中的mcu功能模块和afe功能模块集成在同一芯片中时，在执行mcu功能的模块和执行afe功能的模块内分别设置spi主端接口以及spi从端接口，并通过spi总线将mcu模块与afe模块进行串联，并在mcu总线上进行电平转换器的设置，在实现mcu与afe的通信。在芯片的工作过程中，mcu模块与afe模块的数据传输过程会受到电平转换器的信号保护，且通过spi总线进行直连，保证了芯片工作过程中的稳定性，降低了故障产生的概率。
20.(2)、在mcu功能模块与afe功能模块进行数据交互的过程中，在通过spi总线进行数据稳定传输的基础上，当mcu模块将控制指令发送至afe模块，且afe模块对于控制指令进行验证后，将会向mcu模块进行包含有验证结果的信息反馈。该过程防止了afe模块在接收控制指令时产生信号误差，但并未及时反馈至mcu模块的情况，进一步提高了芯片工作的稳定性，降低了故障的发生概率。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1示出了本技术一个示例性实施例提供的一种用于电池管理系统的控制芯片的结构示意图；
23.图2示出了本技术一个示例性实施例提供的一种由spi总线进行传输的信号示意图；
24.图3示出了本技术一个示例性实施例提供的一种数据传输方法的流程图；
25.图4示出了本技术一个示例性实施例提供的另一种数据传输方法的流程图；
26.图5示出了本技术一个示例性实施例提供的一种控制指令的格式示意图；
27.图6示出了本技术一个示例性实施例提供的一种控制指令中的命令字段中的格式示意图；
28.图7示出了本技术一个示例性实施例提供的一种控制指令与反馈信息的传输时序图；
29.图8示出了本技术一个示例性实施例提供的另一种控制指令与反馈信息的传输时序图；
30.图9示出了本技术一个示例性实施例提供的另一种控制指令与反馈信息的传输时序图；
31.图10示出了本技术一个示例性实施例提供的另一种控制指令与反馈信息的传输时序图。
具体实施方式
32.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施方式作进一步地详细描述。
33.首先，对本技术中涉及的名词进行说明：
34.bms，是是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带，其主要功能包括：电池物理参数实时监测；电池状态估计；在线诊断与预警；充、放电与预充控制；均衡管理和热管理等。电池管理系统(bms)产业发展可能类似锂电池，车厂为掌握关键技术，会与长期合作供货商密切合作产品开发，对新进厂商切入难度高。在电池充放电过程中，实时采集电动汽车蓄(应该为动力电池组)电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池包总电压，防止电池发生过充电或过放电现象。可选地，在本技术中，定义bms是对锂离子电池进行管理的系统。
35.mcu，是把中央处理器(central process unit；cpu)的频率与规格做适当缩减，并将多种功能都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。诸如手机、pc外围、遥控器，至汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等工业设备中均包括mcu。
36.afe，是bms中用于对电池的工作状态进行测量的电路，也即，电池模拟前端，其通过接收电信号的方法，确定电池的工作状态，并在电池的工作状态发生异常时进行反馈。
37.图1示出了本技术一个示例性实施例提供的一种用于电池管理系统的控制芯片的结构示意图，请参考图1，该控制芯片100包括mcu模块110、afe模块120以及spi总线130；mcu模块110中包括中央处理器111、存储器112、控制器113以及spi主端接口114，中央处理器111分别与存储器112、控制器113以及spi主端接口114连接；afe模块120中包括afe功能组件121、至少两个afe数据寄存器122以及spi从端接口123，afe功能组件121与spi从端接口123通过至少两个afe数据寄存器122连接；spi主端接口114以及spi从端接口123通过spi总线130串联连接；spi总线130上具有四个电平转换器131。
38.在本技术实施例中，当控制芯片工作时，mcu模块即执行数据处理以及对于bms系统进行控制的功能，并对应包括处理器、控制器与存储器。afe模块即进行与bms对应的电池的所在的环境的检测与反馈的功能。可选地，afe模块中的afe功能组件用于执行诸如工作电流、工作电压、环境温度在内的参数的检测，并将检测结果存储在对应的afe数据寄存器中。afe数据寄存器中的数据会响应于mcu模块发送的控制信号被调取或被修改，同时，该调取动作或修改动作也会被记录在afe数据寄存器中存档。
39.在本技术实施例中，由于mcu模块与afe模块的实际工作电压不同，故通过设置电平转换器的方式，使spi信号可以在传输过程中通过spi总线分别与mcu模块的工作电压以及afe模块的工作电压适配。需要说明的是，电平转换器的数量与spi总线中信号传输信道的数量相同，以下对于电平转换器在本技术中实现为4个的原因进行解释：
40.图2示出了本技术一个示例性实施例提供的一种由spi总线进行传输的信号示意图。如图2所示，spi总线中包括四条信号传输信道，分别对应传输开关信号201、时钟信号202、从端至主端信号203、主端至从端信号204。其中，开关信号用于指示工作过程是否开始，时钟信号用于在控制芯片工作的全过程中进行计数，主端至从端信号即为mcu模块发送至afe模块的信号，从端至主端信号即为afe模块发送至mcu模块的信号。在本技术实施例
中，主端至从端信号以及从端至主端信号中均包括了工作数据。在此情况下，对应每一条信号传输信道，需要进行一个电平转换器的设置，故在本技术中，电平转换器的数量为4个。在本技术实施例中，spi总线将mcu模块以及afe模块以串联的方式进行连接。在此情况下，。若使用mcu模块与afe模块并联的方式信号通道的数量将会必然大于4条，即必然增加。对应此时，芯片对于电平转换器的数量需求也对应增加。故在本技术实施例中，mcu模块与afe模块之间的连接方式为串联，该方式对应的电平转换器数目为4个。
41.综上所述，本技术实施例提供的用于电池管理系统的控制芯片，在将bms中的mcu功能模块和afe功能模块集成在同一芯片中时，在执行mcu功能的模块和执行afe功能的模块内分别设置spi主端接口以及spi从端接口，并通过spi总线将mcu模块与afe模块进行串联，并在mcu总线上进行电平转换器的设置，在实现mcu与afe的通信。在芯片的工作过程中，mcu模块与afe模块的数据传输过程会受到电平转换器的信号保护，且通过spi总线进行直连，保证了芯片工作过程中的稳定性，降低了故障产生的概率。
42.图3示出了本技术一个示例性实施例提供的一种数据传输方法的流程图，以该方法应用于如上实施例中所述的用于电池管理系统的控制芯片中为例进行说明，该方法包括：
43.步骤301，mcu模块通过spi主端接口向afe模块发送控制指令。
44.在本技术实施例中，所述控制指令用于控制所述afe模块执行对应的动作。
45.可选地，所述控制指令通过spi总线传输，且在传输过程中通过电平转换器进行电平转换。
46.可选地，afe模块对应执行的动作包括读取数据动作、写入数据动作、开启动作、关断动作、暂停动作中的至少一种，本技术实施例对于afe模块对应执行的动作不做限定。
47.步骤302，afe模块通过spi从端接口接收控制指令。
48.该过程即为afe模块通过spi从端接口接收控制指令的过程。步骤301至步骤302的过程即为图2中所示的主端至从端信号203的传输过程。
49.步骤303，afe模块进行控制指令的验证，得到控制指令验证结果。
50.该过程即为afe模块进行数据接收后的正确性验证的过程。在本技术中，正确性验证的过程为基于循环冗余校验(cyclic redundancy check，crc)的校验过程，在该过程中，afe模块可以确定是否完整、准确地进行了控制指令的接收。以得到控制指令验证结果。可选地，控制指令验证结果实现为“0”或“1”的字符形式，当控制指令验证结果指示验证通过时，控制指令验证结果为“0”，当控制指令验证结果指示控制指令验证不通过时，指示控制指令验证结果为“1”。
51.步骤304，afe模块基于控制指令验证结果，通过afe功能组件生成反馈信息。
52.在本技术实施例中，反馈信息为体现afe功能组件对于控制指令验证结果的信息。在一个示例中，反馈信息与控制指令的数据格式相同；在另一个示例中，反馈信息与控制指令的数据格式不同，反馈信息仅起到确认作用。本技术对于反馈信息的具体实现格式不做限定，但反馈信息中应包含控制指令验证结果。
53.步骤305，afe模块通过spi从端接口向mcu模块发送反馈信息。
54.可选地，在afe功能模块生成反馈信息后，通过afe寄存器将信号传输至spi从端接口，并进行反馈消息的传输。
55.步骤306，mcu模块通过spi主端接口接收反馈信息。
56.步骤305至步骤306所示的过程即为图2中所示的从端至主端信号204的传输过程。
57.可选地，在mcu模块获取到反馈信息后，即可进行反馈信息的验证以及对应的数据备份，并知悉afe模块的信号接收情况，以实现mcu模块与afe模块在数据交互过程中的双向验证功能。
58.综上所述，本技术实施例提供的方法，在mcu功能模块与afe功能模块进行数据交互的过程中，在通过spi总线进行数据稳定传输的基础上，当mcu模块将控制指令发送至afe模块，且afe模块对于控制指令进行验证后，将会向mcu模块包含有验证结果的信息反馈。该过程防止了afe模块在接收控制指令时产生信号误差，但并未及时反馈至mcu模块的情况，进一步提高了芯片工作的稳定性，降低了故障的发生概率。
59.图4示出了本技术一个示例性实施例提供的另一种数据传输方法的流程图，以该方法应用于如上实施例中所述的用于电池管理系统的控制芯片中为例进行说明，该方法包括：
60.步骤401，mcu模块通过spi主端接口向afe模块发送控制指令。
61.该过程与步骤301所示的过程相同，在此不作赘述。
62.图5示出了本技术一个示例性实施例提供的一种控制指令的格式示意图。在本技术实施例中，控制指令500中包括命令字段510、地址字段520、至少一个数据字段530以及校验字段540。命令字段510用于指示afe模块执行的动作类型；地址字段520用于分配afe模块执行动作时的数据存储地址；数据字段530用于指示与动作对应的数据内容；校验字段540用于指示afe模块进行crc验证。
63.需要说明的是，在如图5所示的示例中，当数据字段的数量为至少两个时，每个数据字段的格式相等，或，每个数据字段的格式符合预设的数据字段格式规则。数据字段可以实现为空字段，但当数据字段实现为空字段时，其数据位数要求也需要符合数据预设的数据字段格式规则。可选地，数据字段格式规格中对应的数据单位为8bit、16bit和32bit中的至少一种。
64.在本技术的一些实施例中，命令字段除了指示afe模块执行的动作类型之外，还包含了其他的信息。图6示出了本技术一个示例性实施例提供的一种控制指令中的命令字段中的格式示意图。请参考图6，命令字段600中包括动作类型子字段601、数据类型子字段602、冗余循环校验必要性子字段603、冗余循环验证结果子字段604以及数据长度子字段605。动作类型子字段包括读取子字段和写入子字段，读取子字段指示afe模块进行数据读取，并反馈至mcu模块，写入子字段指示afe模块进行数据写入，并将写入结果反馈至mcu模块；数据类型子字段包括单段子字段和多段子字段，单段子字段指示数据字段的数量为1段，多段子字段指示数据字段的数量为至少两段；冗余循环校验必要性子字段用于指示冗余循环校验的必要性；冗余循环验证结果子字段用于指示冗余循环验证的验证结果；数据长度子字段用于指示单段数据字段的长度。
65.在一个示例中，动作类型子字段、数据类型子字段、冗余循环校验必要性子字段以及数据长度子字段均占用1个单位字符空间，且有表达两种形式，即“1”和“0”；长度子字段占用4个单位字符空间。故在该示例中，命令字段总共占用8个单位字符空间。其中，对应动作类型子字段，当其值为“1”时，表示此次执行的动作为写入动作，当其值为“0”时，表示此
次执行的动作为读取动作；对应数据类型子字段，当其值为“1”时，表示此次传输的数据组的数量为至少量组，当其值为“0”时，表示此次传输的数据组的数量为1组；对应冗余循环校验必要性子字段，当其值为“1”时，表示此次数据传输无需进行crc验证，当其值为“0”时，表示此次数据传输需要进行crc验证；对应冗余循环验证结果子字段，当其值为“1”时，表示crc的验证过程存在异常，当其值为“0”时，表示crc的验证结果不存在异常。可选地，一个字段为(1，0，1，0，0，0，0，0)，即可确定其为令afe进行写入的命令字段，写入单组数据组，需要进行冗余循环校验，且冗余循环校验的结果为未出现异常，数据组的长度与(0，0，0，0)数组对应。
66.步骤402，afe模块通过spi从端接口接收控制指令。
67.该过程与步骤302所述的过程相同，在此不作赘述。
68.步骤403，afe模块响应于动作类型子字段为写入子字段，且数据类型子字段指示数据字段的数量为1段，进行控制指令的验证，得到控制指令验证结果。
69.本技术实施例示出了四种对应不同的控制指令，afe模块生成不同的反馈信息的过程。
70.在如步骤403至步骤405所示的示例中，控制指令中的动作类型子字段为写入子字段，且数据类型子字段指示数据字段的数量为1段。
71.步骤404，afe模块基于控制指令验证结果，通过afe功能组件生成反馈信息。
72.在本示例中，反馈信息中包括反馈命令字段、反馈地址字段、反馈数据字段以及反馈校验字段。
73.步骤405，afe模块以第一时延通过spi从端接口向mcu模块发送反馈信息。
74.在本示例中，第一时延大于所述控制指令的传输时间，且小于所述控制指令的传输时间与所述命令字段的传输时间之和。
75.对应上述情况，图7示出了本技术一个示例性实施例提供的一种控制指令与反馈信息的传输时序图。在该传输过程中，以传输开关信号710以及时钟信号720作为时序的参考信号。由主端至从端信号740可得，mcu模块依次向afe模块发送命令字段741、地址字段742、数据字段743以及校验字段744。在发送本次控制指令的相近时刻，由从端至主端信号730可得，afe模块依次向mcu模块反馈对应反馈命令字段的前次命令字段731、对应反馈地址字段的前次地址字段732、对应反馈数据字段的前次数据字段733以及对应反馈校验字段的前次校验字段734。也即，mcu模块发送本次控制指令，且命令字段部分还未完全发送时，即可接受到afe模块针对前次控制指令反馈的信息，也即，对应的反馈信息与控制指令之间的时延为大于所述控制指令的传输时间，且小于所述控制指令的传输时间与所述命令字段的传输时间之和的时间长度。
76.步骤406，afe模块响应于动作类型子字段为写入子字段，且数据类型子字段指示数据字段的数量为至少两段，进行控制指令的验证，得到控制指令验证结果。
77.在如步骤406至步骤408所示的示例中，控制指令中的动作类型子字段为写入子字段，且数据类型子字段指示数据字段的数量为至少两段。
78.步骤407，afe模块基于控制指令验证结果，通过afe功能组件生成反馈信息。
79.在本示例中，反馈信息中包括空字段、反馈数据字段以及反馈校验字段，空字段的长度与命令字段、地址字段和单个数据字段的长度相等。
80.步骤408，afe模块以第二时延通过spi从端接口向mcu模块发送反馈信息。
81.在本示例中，第二时延小于单个数据字段的传输时间。
82.对应上述情况，图8示出了本技术一个示例性实施例提供的另一种控制指令与反馈信息的传输时序图。在该传输过程中，以传输开关信号810以及时钟信号820为参考，主端至从端信号840指示mcu模块向afe模块依次发送命令字段841、地址字段842、至少两个数据字段843以及校验字段844。对应该情况，afe模块在确认数据字段的数量为至少两个时，即会当即进行本次数据字段的反馈。故从端至主端信号830中包括空字段831，作为反馈数据字段的至少两个数据字段832以及作为反馈校验字段的校验字段833。由于afe功能模块执行数据写入命令需要时间，故首先反馈的字段为空字段，在空字段后，afe模块即开始逐个反馈数据字段832。故空字段的长度与命令字段、地址字段和单个数据字段的长度相等。在本技术实施例中，主端发送命令字段841和接收嗷空字段831之间间隔的第二时延即小于单个数据字段的传输时间。
83.步骤409，afe模块响应于动作类型子字段为读取子字段，且数据类型子字段指示数据字段的数量为1段，进行控制指令的验证，得到控制指令验证结果。
84.在如步骤409至步骤411所示的示例中，控制指令中的动作类型子字段为读取子字段，且数据类型子字段指示数据字段的数量为1段。
85.步骤410，afe模块基于控制指令验证结果，通过afe功能组件生成反馈信息。
86.在本示例中，反馈信息中包括反馈命令字段、反馈地址字段、反馈数据字段以及反馈校验字段。
87.步骤411，afe模块以第三时延通过spi从端接口向mcu模块发送反馈信息。
88.在本示例中，第三时延大于控制指令的传输时间，且小于控制指令的传输时间与命令字段的传输时间之和。
89.对应上述情况，图9示出了本技术一个示例性实施例提供的另一种控制指令与反馈信息的传输时序图。在该传输过程中，以传输开关信号910以及时钟信号920作为时序的参考信号。由主端至从端信号940可得，mcu模块依次向afe模块发送命令字段941、地址字段942、数据字段943以及校验字段944。在发送本次控制指令的相近时刻，由从端至主端信号930可得，afe模块依次向mcu模块反馈对应反馈命令字段的前次命令字段931、对应反馈地址字段的前次地址字段932、对应反馈数据字段的前次数据字段933以及对应反馈校验字段的前次校验字段934。也即，mcu模块发送本次控制指令，且命令字段部分还未完全发送时，即可接受到afe模块针对前次控制指令反馈的信息，也即，对应的反馈信息与控制指令之间的时延为大于所述控制指令的传输时间，且小于所述控制指令的传输时间与所述命令字段的传输时间之和的时间长度。可选地，由于本过程是读取过程，因此数据字段943可以实现为空字段。
90.步骤412，afe模块响应于动作类型子字段为读取子字段，且数据类型子字段指示数据字段的数量为至少两段，进行控制指令的验证，得到控制指令验证结果。
91.在如步骤412至步骤414所示的示例中，控制指令中的动作类型子字段为读取子字段，且数据类型子字段指示数据字段的数量为至少两段。
92.步骤413，afe模块基于控制指令验证结果，通过afe功能组件生成反馈信息。
93.在本示例中，反馈信息中包括空字段、反馈数据字段以及反馈校验字段。需要说明
的是，空字段的长度与命令字段的长度以及地址字段的长度之和对应。
94.步骤414，afe模块以第四时延通过spi从端接口向mcu模块发送反馈信息。
95.对应上述情况，图10示出了本技术一个示例性实施例提供的另一种控制指令与反馈信息的传输时序图。在该传输过程中，以传输开关信号1010以及时钟信号1020为参考，主端至从端信号1040指示mcu模块向afe模块依次发送命令字段1041、地址字段1042、至少两个数据字段1043以及校验字段1044。对应该情况，afe模块在确认数据字段的数量为至少两个时，即会当即进行本次数据字段的反馈。故从端至主端信号1030中包括空字段1031，作为反馈数据字段的至少两个数据字段1032以及作为反馈校验字段的校验字段1033。由于afe功能模块执行数据写入命令需要时间，故首先反馈的字段为空字段，在空字段后，afe模块即开始逐个反馈数据字段1032。故空字段的长度与命令字段以及单个数据字段的长度相等。在本技术实施例中，主端发送命令字段1041和接收空字段1031之间间隔的第二时延即小于命令字段的传输时间。
96.对应上述情况，图10示出了本技术一个示例性实施例提供的另一种控制指令与反馈信息的传输时序图。
97.步骤415，mcu模块通过spi主端接口接收反馈信息。
98.该过程与步骤306所述的过程相同，在此不作赘述。
99.步骤416，mcu模块通过校验字段以及反馈校验字段进行冗余循环校验验证，得到验证结果。
100.步骤417，响应于验证结果指示校验字段与反馈校验字段不匹配，mcu模块生成异常状态数据。
101.在本技术实施例中，由于控制指令中包括用于进行校验的校验字段，反馈信息中也包括用于进行校验的反馈校验字段，故除了afe模块可以直接得到控制指令验证结果外，二者可以对应建立验证关系，进行双向数据验证。需要说明的是，二者的校验是同样是基于冗余循环校验机制所进行的校验。
102.在验证结果指示校验字段与反馈验证字段不匹配时，mcu模块即可确定afe模块的反馈功能异常，进而生成异常状态数据，以处理afe模块中可能存在的异常状态。
103.综上所述，本技术实施例提供的方法，在mcu功能模块与afe功能模块进行数据交互的过程中，在通过spi总线进行数据稳定传输的基础上，当mcu模块将控制指令发送至afe模块，且afe模块对于控制指令进行处理后，将会向mcu模块进行数据反馈。该过程防止了afe模块在处理控制指令时发生故障，但并未及时反馈至mcu模块的情况，进一步提高了芯片工作的稳定性，降低了故障的发生概率。
104.上述仅为本技术的可选实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。