基于STM32的电动汽车快速充电机监控终端的设计.docx
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基于STM32的电动汽车快速充电机监控终端的设计
基于STM32的电动汽车快速充电机监控终端的设计
摘要：
随着物联网时代的到来，实现对快速充电机的智能远程管理，其监控终端的设计是其中的关键技术。
结合单片机STM32和实时操作系统μC/OS-Ⅱ，介绍了快速充电机监控终端的整体设计方案，研究了大功率充电机CAN总线及GPRS数据发送的协议制定及软件设计方法，并对GPRS流量费用进行了经济性分析。
结果表明该监控终端保证监控网络工作稳定，实现对充电机的运行状态的监测及其远程管理。
随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧，各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展的方向，发展电动汽车将是解决这两个难题的最佳途径。
我国高度重视电动汽车的发展，国家相继出台了一系列标准来扶持和规范电动汽车的发展。
但要实现电动汽车大面积普及我国还有很长的路要走，需要解决的问题还有很多。
关键词：
STM32；电动汽车；发展
ThedesignofelectricvehiclefastchargermonitoringterminalbasedonSTM32
Abstract：
WiththeadventoftheeraofInternetofthings,toachievequickchargerofintelligentremotemanagement,themonitoringterminaldesignisoneofthekeytechnologies.CombinedwiththeSTM32MCUandreal-timeoperatingsystemUCOSII,theoveralldesignschemeoffastchargermonitoringterminalisintroducedinthispaper,tostudythehighpowerchargercanbusandGPRSdatatransmissionprotocolandthedesignmethodofsoftware,andanalyzestheeconomyofGPRStrafficcharges.Theresultsshowthattheterminaltoensuremonitoringnetworkisstableandtherunningstateofthechargermonitoringandremotemanagement.Withtheglobalenergycrisisdeepening,petroleumresourcesincreasinglydepletedandatmosphericpollution,thedangersofglobalwarmingintensifies,governmentsandautomobileenterprisesgenerallyrealizedenergysavingandemissionreductionisthefuturedirectionofthedevelopmentofautomobiletechnology,thedevelopmentofelectricvehicleswillbethebestwaytosolvethetwoproblems.Chinaattachesgreatimportancetothedevelopmentofelectricvehicles,thestatehasissuedaseriesofstandardstosupportandregulatethedevelopmentofelectricvehicles.Buttoachievealargeareaofelectriccarspopularinourcountrystillhasalongwaytogo,therearealotofproblemsneedtobesolved.
Keywords:
STM32;ElectricVehicle;Development
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。
第一章监控网络的整体方案
图1.1是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1.1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。
第二章监控终端功能模块
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2.1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。
图2.1监控终端的结构框图
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。
2.1.1SMT32介绍
在STM32F105和STM32F107互连型系列微控制器之前，意法半导体已经推出STM32基本型系列、增强型系列、USB基本型系列、互补型系列；新系列产品沿用增强型系列的72MHz处理频率。
内存包括64KB到256KB闪存和20KB到64KB嵌入式SRAM。
新系列采用LQFP64、LQFP100和LFBGA100三种封装，不同的封装保持引脚排列一致性，结合STM32平台的设计理念，开发人员通过选择产品可重新优化功能、存储器、性能和引脚数量，以最小的硬件变化来满足个性化的应用需求。
SMT32特点：
内核：
ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。
单周期乘法和硬件除法。
存储器：
片上集成32-512KB的Flash存储器。
6-64KB的SRAM存储器。
时钟、复位和电源管理：
2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。
上电复位（POR）、掉电复位（PDR）和可编程的电压探测器（PVD）。
4-16MHz的晶振。
内嵌出厂前调校的8MHzRC振荡电路。
内部40kHz的RC振荡电路。
用于CPU时钟的PLL。
带校准用于RTC的32kHz的晶振。
低功耗：
3种低功耗模式：
休眠，停止，待机模式。
为RTC和备份寄存器供电的VBAT。
调试模式：
串行调试（SWD）和JTAG接口。
DMA：
12通道DMA控制器。
支持的外设：
定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。
3个12位的us级的A/D转换器（16通道）：
A/D测量范围：
0-3.6V。
双采样和保持能力。
片上集成一个温度传感器。
2通道12位D/A转换器：
STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE独有。
最多高达112个的快速I/O端口：
根据型号的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。
除了模拟输入，所有的都可以接受5V以内的输入。
最多多达11个定时器：
4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器。
2个16位的6通道高级控制定时器：
最多6个通道可用于PWM输出。
2个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗）。
Systick定时器：
24位倒计数器。
2个16位基本定时器用于驱动DAC。
最多多达13个通信接口：
2个IIC接口（SMBus/PMBus）。
5个USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调试控制）。
3个SPI接口（18Mbit/s），两个和IIS复用。
CAN接口（2.0B）。
USB2.0全速接口。
SDIO接口。
ECOPACK封装：
STM32F103xx系列微控制器采用ECOPACK封装形式。
SMT32系统作用
1、集成嵌入式Flash和SRAM存储器的ARMCortex-M3内核。
和8/16位设备相比，ARMCortex-M332位RISC处理器提供了更高的代码效率。
STM32F103xx微控制器带有一个嵌入式的ARM核，所以可以兼容所有的ARM工具和软件。
2、嵌入式Flash存储器和RAM存储器：
内置多达512KB的嵌入式Flash，可用于存储程序和数据。
多达64KB的嵌入式SRAM可以以CPU的时钟速度进行读写（不待等待状态）。
3、可变静态存储器（FSMC）：
FSMC嵌入在可变静态存储器（FSMC）：
FSMC嵌入在STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE中，带有4个片选，支持四种模式：
Flash,RAM,PSRAM,NOR和NAND。
3个FSMC中断线经过OR后连接到NVIC。
没有读/写FIFO，除PCCARD之外，代码都是从外部存储器执行，不支持Boot，目标频率等于SYSCLK/2，所以当系统时钟是72MHz时，外部访问按照36MHz进行。
4、嵌套矢量中断控制器（NVIC）：
可以处理43个可屏蔽中断通道（不包括Cortex-M3的16根中断线），提供16个中断优先级。
紧密耦合的NVIC实现了更低的中断处理延迟，直接向内核传递中断入口向量表地址，紧密耦合的NVIC内核接口，允许中断提前处理，对后到的更高优先级的中断进行处理，支持尾链，自动保存处理器状态，中断入口在中断退出时自动恢复，不需要指令干预。
5、外部中断/事件控制器（EXTI）：
外部中断/事件控制器由用于19条产生中断/事件请求的边沿探测器线组成。
每条线可以被单独配置用于选择触发事件（上升沿，下降沿，或者两者都可以），也可以被单独屏蔽。
有一个挂起寄存器来维护中断请求的状态。
当外部线上出现长度超过内部APB2时钟周期的脉冲时，EXTI能够探测到。
多达112个GPIO连接到16个外部中断线。
6、时钟和启动：
在启动的时候还是要进行系统时钟选择，但复位的时候内部8MHz的晶振被选用作CPU时钟。
可以选择一个外部的4-16MHz的时钟，并且会被监视来判定是否成功。
在这期间，控制器被禁止并且软件中断管理也随后被禁止。
同时，如果有需要（例如碰到一个间接使用的晶振失败），PLL时钟的中断管理完全可用。
多个预比较器可以用于配置AHB频率，包括高速APB（PB2）和低速APB（APB1），高速APB最高的频率为72MHz，低速APB最高的频率为36MHz。
7、Boot模式：
在启动的时候，Boot引脚被用来在3种Boot选项种选择一种：
从用户Flash导入，从系统存储器导入，从SRAM导入。
Boot导入程序位于系统存储器，用于通过USART1重新对Flash存储器编程。
8、电源供电方案：
VDD，电压范围为2.0V-3.6V，外部电源通过VDD引脚提供，用于I/O和内部调压器。
VSSA和VDDA，电压范围为2.0-3.6V，外部模拟电压输入，用于ADC，复位模块，RC和PLL，在VDD范围之内（ADC被限制在2.4V），VSSA和VDDA必须相应连接到VSS和VDD。
VBAT，电压范围为1.8-3.6V，当VDD无效时为RTC，外部32KHz晶振和备份寄存器供电（通过电源切换实现）。
9、电源管理：
设备有一个完整的上电复位（POR）和掉电复位（PDR）电路。
这条电路一直有效，用于确保从2V启动或者掉到2V的时候进行一些必要的操作。
当VDD低于一个特定的下限VPOR/PDR时，不需要外部复位电路，设备也可以保持在复位模式。
设备特有一个嵌入的可编程电压探测器（PVD），PVD用于检测VDD，并且和VPVD限值比较，当VDD低于VPVD或者VDD大于VPVD时会产生一个中断。
中断服务程序可以产生一个警告信息或者将MCU置为一个安全状态。
PVD由软件使能。
10、电压调节：
调压器有3种运行模式：
主（MR），低功耗（LPR）和掉电。
MR用在传统意义上的调节模式（运行模式），LPR用在停止模式，掉电用在待机模式：
调压器输出为高阻，核心电路掉电，包括零消耗（寄存器和SRAM的内容不会丢失）。
11、低功耗模式：
STM32F103xx支持3种低功耗模式，从而在低功耗，短启动时间和可用唤醒源之间达到一个最好的平衡点。
休眠模式：
只有CPU停止工作，所有外设继续运行，在中断/事件发生时唤醒CPU；停止模式：
允许以最小的功耗来保持SRAM和寄存器的内容。
1.8V区域的时钟都停止，PLL，HSI和HSERC振荡器被禁能，调压器也被置为正常或者低功耗模式。
设备可以通过外部中断线从停止模式唤醒。
外部中断源可以使16个外部中断线之一，PVD输出或者TRC警告。
待机模式：
追求最少的功耗，内部调压器被关闭，这样1.8V区域断电。
PLL,HSI和HSERC振荡器也被关闭。
在进入待机模式之后，除了备份寄存器和待机电路，SRAM和寄存器的内容也会丢失。
当外部复位（NRST引脚），IWDG复位，WKUP引脚出现上升沿或者TRC警告发生时，设备退出待机模式。
进入停止模式或者待机模式时，TRC,IWDG和相关的时钟源不会停止。
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。
2.1.2MC52i介绍
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。
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。
2.1.3SE880介绍
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。
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。
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。
表1
（1）优先级确定。
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。
（2）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。
根据将类型码的具体分配如。
表2所示。
表2
（3）源地址。
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。
（4）分段码。
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）。
协议中将ID11~ID4定义为分段码，如表3所示。
表3
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。
其具体格式如表4所示。
表4
（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。
第三章交流充电桩系统方案
3.1电动汽车交流充电桩介绍
交流充电桩，又称交流供电装置，是指固定在地面或墙壁，安装于公共建筑（办公楼宇、商场、公共停车场等）和居民小区停车场或充电站内，采用传导方式为具有车载充电机的电动汽车提供人机交互操作界面及交流充电接口，并具备相应测控保护功能的专用装置。
交流充电桩采用大屏幕LCD彩色触摸屏作为人机交互界面，可选择定电量、定时间、定金额、自动（充满为止）四种模式充电，具备运行状态监测、故障状态监测、充电分时计量、历史数据记录和存储等功能。
充电桩的交流工作电压（220±12%）V，额度输出电流（AC）为32A（七芯插座），普通纯电动轿车用交流充电桩充满电大约需要6~8V，充电桩更适用于慢速充电。
交流充电桩一般由桩体、电气模块、计量模块、账务管理模块四部分组成。
根据安装方式的不同，桩体可分为落地式和壁挂式两种。
落地式充电桩适合在各种停车场和路边停车位进行地面安装；壁挂式充电桩适合在空间拥挤、周边有墙壁等固定建筑物上进行壁挂安装，如地下停车场或车库。
3.2交流充电桩系统工作原理
依据GB/T20234.2-2011《电动汽车传导充电用连接装置：
交流充电接口》中相关规定的要求，采用控制导引电路的方式来作为充电连接装置的连接状态及额定电流参数的判断装置。
其典型的控制导引电路如图3.1所示。
图3.1典型的控制导引电路
供电设备插头与插座连接后，供电控制装置通过图3.1所示的检测点4的电压值判断供电插头与供电插座是否已完全连接。
同时电动汽车车辆控制装置通过测量检测点3与PE间的电阻值判断车辆插头与车辆插座是否已完全连接。
在完成插头与插座连接状态检测后，操作人员对供电设备完成充电启动设置，则开关S1从连接+12V状态切换至PWM连接状态，供电控制装置发出PWM信号。
供电控制装置通过测量检测点1的电压值判断充电连接装置是否已完全连接。
车辆控制端检测无误后闭合S2，供电控制装置通过再次测量检测点1的电压值判断车辆是否准备就绪，如满足要求则通过闭合K使交流供电回路导通。
3.3交流充电桩系统方案
系统由LCD触摸屏、打印机、R
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