电动汽车充电终端Word文档下载推荐.docx
《电动汽车充电终端Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电动汽车充电终端Word文档下载推荐.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
引言......................................................
1
1监控网络的整体方案......................................
2监控终端功能模块........................................
2
2.1监控终端的总体设计.....................................
2.2CAN总线模块...........................................
4
2.3数据发送模块...........................................
5
3交流充电桩系统方案......................................
6
4控制系统单元电路.......................................
4.1主控制器选择.........................................
4.2串行接口电路..........................................
7
4.3CAN总线接口电路.......................................
4.4充电电压测量电路......................................
4.5控制导引电路..........................................
8
5桩体电气部分设计........................................
6软件设计................................................
9
6.1μC/OS-Ⅱ的多任务管理.................................
6.2ZWG-23A模块的配置.....................................
10
6.3测试及结果...........................................
6.3.1JTAG仿真器介绍......................................
结论......................................................
12
主要参考文献.............................................
13
致谢....................................................
15
引言
随着国家对新能源技术的大力扶持，电动汽车逐渐成为国家在新能源汽车产业大力发展的对象，而电动汽车充电站、快速充电机是电动汽车大规模化后不可或缺的服务基础设施之一。
大量分布于各住宅小区、停车场的电动汽车用非车载智能快速充电机，实现高效、安全、智能化的管理必定成为主流。
针对目前快速充电机群实行无人值守的运行情况，这就要求快速充电机须具有较高的可靠性和自动化程度，功能更加完善，可远程维护等功能。
这样，使得分布式、模块化、智能化成为快速充电机的发展方向，而高性能、低成本的充电机监控终端是其中的关键技术。
为管理区域多台充电机的资源优化利用与管理的智能化，监控终端与Internet网的交互成为一种必然。
1监控网络的整体方案
图一的充电机的监控网络结构图所示，监控终端作为充电机与监控中心之间的一个重要网关。
其有效的通信链路有：
监控中心-监控终端;
监控终端-充电机（或电池管理系统（BMS）、电动汽车等）。
图1充电机监控网络结构图
通过监控终端作为媒介，实现了监控中心与充电机及电动汽车的通信链路的建立。
终端通过CAN网络与充电机、BMS及电动汽车等相互通信，采集相关节点的数据信息并存储，并将相关信息反馈给充电机。
充电机根据相关信息从而实现电动汽车电池的智能充电。
终端与监控中心之间是通过GPRS连接通信，终端将充电机、电池、电动汽车等相关数据传回监控中心，监控中心实现对充电机的远程控制和实时监控功能，记录充电机的运行及故障情况。
车主可以由监控中心查询了解当前空闲的充电机位置，实现资源充分利用。
2监控终端功能模块
2.1监控终端的总体设计
监控终端是连接监控中心与充电机的桥梁。
其总体设计结构如图2所示，监控终端主要由Cortex-M3内核的STM32ZGT6的核心模块、数据采集模块（CAN网络）、用户计费交互信息模块、数据存储模块、实时时钟模块和GPRS通信模块6个部分所组成。
终端采用Co-tex-M3内核的STM32ZGT6微处理器芯片。
该单片机具有丰富的片上硬件资源，内含CAN2.0B的控制器，以及多达4个串口，满足终端CAN与GPRS网络接口的需求。
为了减少系统的复杂性，摄像头只支持拍照功能，GPS为系统提供定位信息；
G-Sensor是重力传感器为触发拍照提供触发信号；
TF卡作为本地存储介质可以大大减小存储器的体积同时又可以提供大容量存储空间；
GPRS模块作为本终端使用的无线传输模块负责和控制中心通讯，既可以把照片数据和位置信息上传到控制中心，又可以从控制中心接收指令，进行远程控制摄像头立刻拍照上传；
USB Device接口与电脑通讯，可以把TF卡虚拟成U盘，从而可以方便的通过电脑直接搜索、查看和拷贝本地的备份照片。
本设计采用的STM32103VET6为ST公司的增强型Cortex-M3内核系列单片机，最高允许频率可达72M，64K RAM，512K Flash，100引脚LQFP封装，速度可达72MHz，其ROM和RAM也是目前同类型板载主芯片中容量最大的。
自带SDIO、USB Device、5个串口、SPI接口和IIC接口，可以满足本系统丰富外设的接口需求，同时系统自带RTC、看门狗等实用模块，RTC可以为系统的数据运行提供时间标记，看门狗可以保证系统稳定运行。
系统MCU部分硬件原理图如图2所示。
图2中8M晶振为系统主晶振，可以经过MCU内部倍频到72M为其它外设提供时钟频率，32.768K的晶振为RTC模块专用晶振，SW1为单片机提供启动方式选择，当
BOOT0为高时，从片内ISP区域开始运行，当BOOT0为低时从应用程序区域开始运行，只要用于前期调试下载应用程序使用。
MC52i是Cinterion公司（原西门子）生产的内部带有TCP/IP协议栈的模块，可以通过串口对其进行控制。
该模块是工业级别，可在-40度和+80度的环境下正常工作，功耗低、可靠性高、性价比高，目前广泛运用于智能公交、无线数传（DTU）、远程无线抄表等系统应用中。
MC52i的接口为50芯双排接口，由于系统采用串口方式与MC52i通信并且仅仅GPRS功能，所以系统仅使用串口的RXD0和TXD0与MCU的PA9和PA10相连，本系统的应用接口如图3所示。
图3中D16和D17为串口通信指示灯，当MCU和MC52i有数据通信时，通过该指示灯可以监控通信状态是否正常。
U10为SIM卡插座。
SE880是一个拥有最大灵敏度的单星座GPS芯片，该芯片可减少首次定位时间（TTFF），冷启动最多可提速200多秒。
在它的微耗电准备模式中，SE880可维持50到500μAmps的极低耗电率，而这种准备模式仅需要数秒便能被启动。
此外，其工作温度范围广阔，特别是在零下40到85摄氏度的极端环境下，仍具有业内领先的灵敏度及稳定度，这个特性对于低功耗同时要求高精度的定位系统非常重要，这这使得它非常适合应用于本设计。
SE880接收器的设计包含了可运作的接收器所需具备的全部组件，仅需要一个产品时基和温度补偿晶体振荡器所需的32千赫兹的晶体，天线、电源和数据连接就可以了。
该模块整合星基增强系统（SBAS）的先进设计，可以将卫星采集的星历数据存储到SPI闪存中，这可有效地降低成本并改进终端设备。
SE880的应用原理图如图4所示。
GPS模块SE880采用1.8V供电，ON_OFF上拉可以使SE880进入工作状态，
以1Hz的脉冲控制ON_OFF可以使GPS进入休眠状态。
SYSTEM_ON信号为低电平表示当前GPS模块是处于休眠状态，为高电平表示当前GPS模块是处于工作状态。
R32和R33的接法规定了GPS模块和MCU通讯波特率为9600。
TF卡接口直接利用了MCU自带的4位SDIO接口扩展，USB也是使用MCU自带的USB device接口扩展，既有利于充分利用MCU的自身资源，又可以降低系统的复杂性和成本。
图5所示的加速度传感器（G-sensor）为I2C接口，直接与MCU的I2C1总线接口相连，由于GPS的工作功耗较大，不宜进行持续工作，加速度传感器可以保证只有车辆移动时才进行GPS定位，减少不必要的功耗，同时也可以为拍照系统提供触发信号。
图5所示的摄像头接口用于和OV7670摄像头模块相连，OV767适合高灵敏度适合低照度、低电压要求的嵌入式应用，最高支持640*480分辨率，可以满足基本的监控需求。
监控终端的工作流程如下：
用户计费模块读取用户信息以及选择充电模式，通过CAN网络向充电模块发送相应充电命令;
同时监控终端读取CAN网络中的关键数据帧如充电机的运行状况等，并将数据保存于NandFlash中。
定时将当前充电用户信息和充电机等运行参数通过GPRS发送到监控中心。
监控终端可以根据用户的需要，打印用户的余额或收费凭据等。
2.2CAN总线模块
为了更好地保证CAN总线可靠的传输，系统定义了一套通用的应用层的CAN总线协议。
主要针对CAN2.0B协议的报文ID进行了分配及定义。
如表1所示。
CAN协议规定报文ID越小，其报文的优先级越高。
在竞争总线时，优先级高的报文优先发送，优先级低的退出总线竞争。
CAN总线竞争的算法效率很高，是一种非破坏性竞争[3].因CAN协议规定标识符由高至低，前7位不能全为显性位。
所以优先级1111b保留，故系统具有15级优先级别。
类型码
协议将ID24~ID22规定消息的类型。
在本系统中，用到的消息类型主要有：
控制、状态、测量、警告和广播5种类型。
协议规定ID12~ID16为源地址，ID17~ID21为目标地址，进而标识报文的各接收节点与发送节点。
5位地址位，保留11111b为广播地址，可以确定31个控制节点，可满足电动汽车充电机的监控需求。
在此系统中，定义00000b为监控终端，00001b为充电机节点，00010b为电池管理系统（BMS）节点。
因不同的节点所发送的数据量不同，可能会出现一个数据帧不能把从底层采集到的数据一次性发送完毕（即超过8个字节的情况）。
在表3中，某节点的数据帧由分段码00H开始，由FFH结束，最大可支持发送256×
8字节的数据。
若该节点只有一帧数据，定义FFH同时也为单帧数据。
例如，BMS节点，包含了电池组总电压、电池组总电流、电池组SoC、电池组各个箱体（9个）的温度以及电池组状态的信息等。
每个数据占用2B.显然一个数据帧是无法发送该节点的全部信息，故须采用多帧方式发送。
2.3数据发送模块
终端是通过串口外接周立功GPRS模块（ZWG-23A）连接到互联网。
通过GPRS网络上网，连接到服务器之后，按照通信协议定时向服务器发送数据。
根据《深圳市电动汽车充电系统技术规范》标准文件，协议由报文起始标识、版本号、命令字、报文长度、数据内容、校检码等组成的。
（1）起始标识。
设为0xFAF5，用于唤醒接收方准备接收数据。
（2）报文长度。
是由[发送序列号]到[数据内容]的总长度。
（3）校验码。
是从[起始标识]到[数据内容]的无进位累加和。
（4）接收（发送）方类型与地址。
监控中心为类型为“业务服务平台”，其数值为1，其地址为在此类型码下的某一个惟一地址;
终端的类型为“调度终端”，其数值为255，地址为此类型下的某一个惟一地址。
（5）数据内容与命令字：
不同的命令字决定该报文所携带的数据的内容的构成及所占用的字节数。
数据内容一般由一个或多个数据对象组合而成，也可以为空。
发送方在应答非正常或无应答的情况下，每条数据报文最多重复发6次，每次间隔时间为30s.数据内容根据命令字的不同其所组成的数据对象也不同，通常情况下，终端与监控中心的通信包括终端注册、中心应答、终端就绪、定时发送4个阶段。
3交流充电桩系统方案
系统由LCD触摸屏、打印机、RS-485接口的电能表、漏电保护断路器、交流接触器、读卡器和LED灯等基本部分组成。
LCD触摸屏可以提供友好的人机操作界面和快捷简单的操作方式，满足客户按照不同的方式对电动汽车进行充电的要求，可以显示当前充电状态、充电电量和充电费用，友好的用户界面可以让客户进行相应的选择。
当采集的电压超过过压保护定值或低于欠压保护定值，充电桩停止充电。
漏电保护断路器可保证在充电过程中发生漏电等紧急故障情况下停止充电。
当发生意外状况需要紧急停止充电时，可以通过急停按钮来中断充电。
系统的电气连接示意图
4控制系统单元电路
4.1主控制器选择
主控制器选择意法半导体的STM32F107VCT6微控制器。
STM32F107VC互联型系列使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz。
该器件包含2个12位的ADC、4个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：
多达2个I2C，3个SPI，2个I2S，5个USART、一个USB和2个CAN，该器件同时提供了以太网接口，极大的方便了电路设计。
4.2串行接口电路
系统共使用了四个串行接口分别与LCD触摸屏、热敏打印机、读卡器和RS-485接口的电能表通信。
LCD触摸屏和热敏打印机为RS-232电平，经过电平转换与MCU通信，LCD触摸屏与MCU的通信协议采用ModbusRTU通信协议，MCU作为主机，LCD触摸屏作为从机。
热敏打印机根据打印机模块提供的协议进行通信。
读卡器为TTL电平，可以直接与MCU相连，采用读卡器模块提供的协议进行通信。
充电计量的电能表采用多功能单相表，电表选用2.0等级的电能表，电流规格为5（40）A。
电表提供RS-485接口，通过DL/T645-2007通信协议与MCU通信。
通过读取电能表的电能值作为充电桩的电能计量值，通过读取电表电流和电压值来判断充电过程中是否出现过流和过压的情况，并加以处理。
4.3CAN总线接口电路
根据《电动汽车车载充电机与交流充电桩通讯协议》征求意见稿中的相关说明，该征求意见稿推荐车载充电机与交流充电桩之间的通信系统采用CAN总线，所以设计CAN总线接口。
数据链路层为物理连接之间提供可靠数据传输，本系统车载充电机与交流充电桩之间的数据帧格式符合CAN总线2.0B版本的规定，使用CAN扩展帧的29位标识符。
具体每个位分配的相应定义和传输协议等功能符合SAEJ1939—21的规定。
4.4充电电压测量电路
电压测量首先需要通过测量互感器将电压和电流转换为可以测量的小信号。
例如对220V的电压信号的测量，采用的互感器变比为2mA/5mA，采用图4所示的电路，可知在220V时互感器的输出恰好为5mA。
忽略大电阻分流的影响，则27Ω相当于是一个采样电阻。
由于采样的信号为交流电，信号有正负之分，而A/D转换器的输入范围为0～3.6V，所以不能直接将采样电压输入到A/D转换器中。
在运放的正输入端接入一个正的参考电压，再选择合适的放大倍数，使输出能够在A/D转换器的输入范围即可很好的解决该问题。
采用准同步采样后，数据采用矩形自卷积窗算出其有效值。
4.5控制导引电路
控制导引电路完成充电前充电桩与电动汽车的连接确认、供电功率及充电连接装置载流能力的识别和充电过程的监测等任务。
MCU通过检测点不同的电压值来判断所处状态，其电路原理图如图5所示。
5桩体电气部分设计
交流充电桩的电气部分主要完成充电的控制与充电过程的保护等功能。
具有漏电保护、短路保护、过流、过压、欠压保护等保护功能。
除短路和漏电保护外，其他保护功能通过充电控制器控制接触器实现，以实现自恢复；
短路和漏电保护选用带漏电保护的微型断路器实现。
此外系统还具有防雷模块，防雷模块标称放电电流不小于20kA，保护电压水平小于等于1.5kV。
单相供电时防雷模块的接线方式选用P+N接线方式。
充电桩具备急停按钮，以便在紧急情况时能够强行终止充电。
6软件设计
充电桩通过触摸屏完成交互式控制，运行时如果进行刷卡操作则触发中断进行读卡，确定卡的类型进行相关操作。
充电模式提供多种选择可以设置按时间、电量、金额充电，也可设置成直接充满为止。
程序的整体流程图如图6所示。
为了使系统支持USB读取SD卡内容，SD卡的文件格式必须为系统所支持的FAT或者FAT32格式文件系统，考虑到MCU的程序空间，本设计采用了fatfs作为该设计的文件系统。
同时为了增强系统的实时性，本设计以UCOS-ii嵌入式实时操作系统实现任务调度，任务管理，时间管理，内存管理和任务间的通信和同步等基本功能。
软件流程图如图6所示。
在上述流程框图中，拍照任务使用OSSemPend函数请求拍照信号量PhotoSem，如果请求成功则立刻拍照并生成GIF格式图片数据，然后执行OSSemPost（TFSaveSem）和OSSemPost（GPRSSendSem），通知TF卡存储任务按照拍照时间信息为文件名保存当前照片，通知GPRS通讯任务进行无线数据发送到控制中心。
加速度传感器任务定时1秒读取一下加速度传感器数据，当检测到车辆移动时，立刻执行OSSemPost（PhotoSem）和OSSemPost （GPSSem），通知拍照任务进行拍照，并通知GPS定位任务执行一次定位。
GPS定位任务通过OSSemPend（GPSSem）函数判断是否执行定位和任务挂起。
GPRS通讯任务通过OSSemPost（GPRSSe-ndSem）执行是否发送照片数据，同时通过读取GPRS模块的接收指令判断是否收到远程控制指令，如果有远程控制指令则立刻执行，否则把当前任务挂起。
当收到远程拍照指令时，立刻执行OSSemPost（PhotoSem）和OSSemPost（GPSSem），进行拍照和定位。
TF卡存储任务通过OSSemPend（TFSave-Sem）函数判断是否执行照片数据存储和任务挂起。
虚拟U盘任务等待通过USB中断触发OSSemPost（USBSem），当接收到USBSem信号量时，挂起TF卡存储任务，进入虚拟U盘任务，从而可以保证TF卡在多个任务操作时不会冲突。
系统监控任务主要用于监控其它各个任务的执行时间是否超时并进行喂狗处理，如果超时则任务系统程序跑飞，此时就会触发看门狗，复位系统。
同时该任务还管理实时时钟RTC，为GPRS通讯和TF卡存储任务的运行提供准确可靠的时间。
6.1μC/OS-Ⅱ的多任务管理
移植μC/OS-Ⅱ实时操作系统为监控终端的系统平台，该系统是可剥夺性多任务内核的实时操作系统，具有实时、可裁剪、可靠和稳定性等优点。
μC/
升级会员 