直流充電樁系統(tǒng)設計摘要：電動汽車中直流充電樁系統(tǒng)的開發(fā)和設計是一項實際的工程應用，可基本完成其控制系統(tǒng)的設計并確保其正常運行。該系統(tǒng)基于控制芯片STM32F103ZET6，它主要包括一個集成的主控制單元，一個能量測量單元，一個RFID讀卡器，一個用于充電模塊的RFDC輸出模塊以及一個人機交互單元。結合我國有關直流充電樁，CAN總線協議和DL/T645計數器通信協議的標準，開發(fā)并實現了300KW直流充電樁控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以監(jiān)視和控制充電過程，還可以實時顯示充電數據。本文首先分析了直流充電樁系統(tǒng)的工作原理，并根據其功能要求為300kW負載蓄電池控制系統(tǒng)制定了通用方案。通過分析充電樁的快速充電原理，選擇合適的充電模式和控制充電終止的方法。其次，利用內置的控制技術，構建了系統(tǒng)軟件和硬件控制平臺來完成電路設計并選擇DC充電樁的硬件，并使用KeilMDK軟件開發(fā)平臺來開發(fā)和編寫充電樁控制系統(tǒng)的下層程序。最后，充電樁的各種功能模塊通過STM32主控制板集成在一起，以協調與外部充電模塊，電能測量模塊，人機交互模塊和射頻卡讀取器的通信，并且對該系統(tǒng)進行在線調試以完成DC充電樁的原型功能測試。經過實際測試，直流驅動系統(tǒng)可以可靠，穩(wěn)定地工作，滿足主題設定的功能和指標要求。關鍵詞：電動汽車；直流充電樁；控制系統(tǒng)目錄TOC\o"1-3"\h\u8431緒論 緒論1.1選題來源及意義隨著電動汽車的日益普及，直流充電樁作為一種重要的充電設施，其設計和研發(fā)顯得尤為關鍵。本文將詳細介紹直流充電樁系統(tǒng)的設計，包括其硬件選型、軟件設計、系統(tǒng)架構等方面，以期為相關領域的研究和實踐提供參考和借鑒。電動汽車作為一種綠色、環(huán)保的交通工具，正逐漸取代傳統(tǒng)的燃油車成為未來汽車市場的主流。然而，電動汽車的續(xù)航能力和充電速度一直是制約其發(fā)展的瓶頸。為了滿足消費者對快速充電的需求，直流充電樁應運而生。直流充電樁具有充電速度快、效率高等特點，能夠在短時間內為電動汽車提供足夠的電能，大大提高了電動汽車的使用便利性。在直流充電樁系統(tǒng)設計中，硬件選型是關鍵環(huán)節(jié)之一。合理選擇充電樁的硬件設備，可以保證充電樁的性能和穩(wěn)定性。充電樁的硬件主要包括電源模塊、充電模塊、控制模塊、通信模塊等。電源模塊負責將交流電轉換為直流電，為充電模塊提供穩(wěn)定的電源；充電模塊則負責將直流電傳輸到電動汽車的電池中；控制模塊負責整個充電過程的監(jiān)控和控制；通信模塊則負責實現充電樁與電動汽車以及充電樁管理系統(tǒng)的通信。軟件設計是直流充電樁系統(tǒng)的另一重要組成部分。良好的軟件設計可以確保充電樁的安全性、穩(wěn)定性和易用性。軟件設計主要包括用戶界面設計、充電控制策略設計、故障處理設計等。用戶界面設計應簡潔明了，方便用戶進行操作；充電控制策略設計應根據電動汽車的電池特性、充電需求等因素制定，以保證充電過程的安全和高效；故障處理設計應能及時發(fā)現并處理充電過程中可能出現的故障，以保證充電樁的穩(wěn)定運行。此外，直流充電樁的系統(tǒng)架構也是設計中需要考慮的重要方面。合理的系統(tǒng)架構可以提高充電樁的可靠性和可擴展性。充電樁的系統(tǒng)架構主要包括硬件架構和軟件架構兩部分。硬件架構應考慮到充電樁的體積、重量、散熱等因素，以保證充電樁在各種環(huán)境下都能穩(wěn)定運行；軟件架構應考慮到充電樁的升級、維護等因素，以保證充電樁的可擴展性和易維護性。1.2國內外的發(fā)展狀況1.2.1國內發(fā)展狀況早在奧巴馬總統(tǒng)時代，美國政府就明確表示，到2015年底，道路上將有100萬輛電動汽車，政府將投資4億美元進行投資和充電基礎設施的建設，例如充電樁，充電和更換發(fā)電廠。充電站由AmericanSolarCity在加利福尼亞101高速公路上建造，主要由十多個大型DC充電樁組成，并使用太陽能電池板將太陽能轉換為電能以進行快速充電。日本相關機構聲稱，在此階段，他們已經成功開發(fā)了一種快速充電設備，只需半個小時即可充滿電，與此同時，您也可以更換電池。日本中央政府還與當地地區(qū)和城市建立了低污染車輛使用促進協會（LEVOC），其主要工作是建立基礎設施以支持電動汽車的充電功能。同時，不僅政府在推進充電樁的建設，豐田，日產，本田和日本政策投資銀行等大型汽車公司聯合創(chuàng)建了日本充電服務公司，以積極承擔安裝充電樁和8年的費用服務。圖1-6顯示了日本東京商業(yè)廣場的充電樁。在德國，由于德國電動汽車數量的增加，它大大高于充電基礎設施的建設速度。這樣，德國聯邦政府也增加了對充電基礎設施的支持，并有望在新的充電基礎設施上投資3.5億歐元。1.2.2國外發(fā)展狀況由于過去技術發(fā)展的局限性，中國進入電動汽車充電技術的時間要晚于國外，但是由于近年來中國的政治支持以及相關領域的學院，研究所和支持企業(yè)的不斷增加。通過協作，當前的電動汽車充電技術已經取得成功，輔助充電樁的建設也顯示出良好的勢頭。早在2006年，比亞迪就在深圳成立了電動汽車研究所，并建立了第一個電動汽車充電站。在2008年北京奧運會期間，北京的公共交通系統(tǒng)在一個純奧運村投資了一系列純電動公交車，這些公交車使用快速的電池更換作為能源。2009年12月底，南方電網在深圳建立的兩個電動汽車充電站以及南方電網在深圳投資的第一批充電樁成功啟動[7]。2010年3月，由華北電網建設的大型電動汽車充電站在河北唐山正式啟動。為了在不同地區(qū)的國家和地方當局的支持下加快電動汽車的推廣，創(chuàng)建了基本充電樁，例如電動汽車的充電站和公共充電樁。1.3課題研究的目的與要求1.3.1課題研究的目的提高充電效率：直流充電樁具有較高的充電功率，可以大幅縮短電動汽車的充電時間。課題研究的目的之一是優(yōu)化直流充電樁的電路設計、控制策略和功率分配，以實現更高的充電效率和更好的用戶體驗。保證充電安全：充電過程中的安全問題至關重要。課題研究的目的之一是探討和設計直流充電樁的安全保護機制，包括過壓保護、過流保護、短路保護等，以確保充電過程的安全性。1.3.2課題研究的要求技術要求：設計應滿足國家或行業(yè)的相關標準，如輸出電壓、電流、功率、效率、安全性等。同時，要考慮充電樁的兼容性，確保能夠適配多種電動汽車。功能性要求：充電樁除了基本的充電功能外，還應具備數據通信、計費、遠程監(jiān)控、故障診斷等功能。環(huán)境適應性要求：充電樁應能在各種環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，包括不同的氣候、溫度、濕度等。經濟性要求：設計應考慮成本效益，確保充電樁的制造成本和運營維護成本在合理范圍內。用戶友好性要求：充電樁的操作界面應簡潔直觀，便于用戶使用。安全要求：設計必須符合相關的安全標準，包括電氣安全、防火安全等，確保人身和車輛安全。維護要求：充電樁應便于維護和檢修，設計時要考慮到維護的便捷性。擴展性要求：隨著技術的發(fā)展和市場需求的變化，充電樁應具有一定的擴展性，能夠方便地進行升級和功能擴展。1.4課題主要研究內容及技術指標1.4.1課題主要研究內容系統(tǒng)架構設計：研究直流充電樁的系統(tǒng)架構，包括硬件架構和軟件架構。硬件架構涉及充電模塊、電源模塊、控制模塊、通信模塊等的設計與選型；軟件架構涉及充電控制算法、數據管理、用戶界面等的設計。充電模塊設計：研究充電模塊的工作原理、電路設計、功率器件的選擇和應用，以及充電模塊的效率優(yōu)化和熱管理。電源模塊設計：研究電源模塊的電路設計、功率因數校正（PFC）、直流轉換（DC-DC）等關鍵技術，以及電源模塊的效率和穩(wěn)定性?？刂颇K設計：研究充電樁的控制策略和控制算法，包括充電過程控制、故障檢測與處理、通信接口管理等。通信模塊設計：研究充電樁與電動汽車、充電站管理系統(tǒng)、用戶終端等之間的通信協議和數據傳輸，以及網絡安全和數據保護。1.4.2課題研究的要求符合標準和規(guī)范：研究應符合國家和行業(yè)的相關標準和規(guī)范，如GB/T、IEC等標準，確保充電樁的設計和制造質量。技術創(chuàng)新：在充電模塊、電源模塊、控制模塊等方面，應追求技術創(chuàng)新，提高充電效率、降低成本、減小體積和重量。安全性能：充電樁的設計應充分考慮安全性能，包括電氣安全、防火安全、人身安全等方面，確保在各種工況下都能安全運行。環(huán)境適應性：充電樁應能在各種環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，包括不同的氣候、溫度、濕度等，具有較好的環(huán)境適應性。用戶體驗：充電樁的操作界面應簡潔直觀，便于用戶使用，提供良好的用戶體驗。

2直流充電樁控制系統(tǒng)相關概念2.1直流充電樁系統(tǒng)工作原理充電站是指為電動車提供電能的一種充電站。該產品可安裝于地上或墻壁上，可為交/直流充電。此外，本裝置還應有使用說明，測量及充電的功能。在此基礎上，將380V的交流電能通過交流接觸器輸入到三相儀表中，由直流充電模塊對其進行整流、濾波，再由智能控制模塊控制，生成直流電源，為電動車的蓄電池充電。此時，通過智能化的控制模塊可以對AC接觸器的導通和關斷功能進行控制。三相電能表是對充電站進行電能計量的裝置，主要用于對充電站運行時所消耗的電能進行計量。該系統(tǒng)通過與主控制模塊連接，完成對充電設備的數據采集與顯示。其中，存儲模塊主要是為進行后續(xù)的查詢而對用戶的付款信息進行存儲。IC卡讀卡機是一種新型的電子商務電子商務系統(tǒng)，其主要功能就是實現IC卡電子商務的電子商務。當充電站發(fā)生不正常的狀況時，警報系統(tǒng)會自動發(fā)出警報。圖2-1示出了電動車直流充電站的結構示意圖。圖2-1電動汽車直流充電樁系統(tǒng)結構示意圖2.2直流充電樁需求分析隨著電動汽車的日益增多，配套充電站也日益引起了人們的重視。直流電池是一種新型的充電設備，其充電速度快，充電效率高，已被廣泛地應用于一些行業(yè)。為達到電動汽車充電樁智能化、安全性和便利性的目的，通過對電動汽車用戶的充電樁的需求進行了研究，并對有關的數據和文檔進行了深入的了解，得出了如下的基本功能需求：（1）安全的堆料操作。給車輛充電時，充電樁系統(tǒng)可能會發(fā)生各種突然故障。在無法預料的情況下，充電樁系統(tǒng)可能會自動關閉以確保人身安全。（2）充電樁必須可靠地工作，并且充電樁的設備必須具有模塊化設計。當電池的充電系統(tǒng)發(fā)生局部故障時，它不會影響整個系統(tǒng)的正常運行，從而確保用戶可以正?？煽康毓ぷ?。每個單元的功能性模塊化設計還便于將來的維修和保養(yǎng)。（3）由于通常不維修充電樁，因此用戶需要自己完成充電操作。良好的人機交互界面和系統(tǒng)的簡單性，不僅降低了用戶使用的復雜性，而且體現了充電樁的智能系統(tǒng)。（4）記錄使用情況信息，存儲，查詢和統(tǒng)計功能。充電板應能夠實時記錄，存儲和計數用戶登錄，注銷和其他工作信息。同時，用戶還可以在充電板上請求基本信息的歷史記錄，例如充電時間和充電功率。（5）充電樁系統(tǒng)應能夠實現梯形裝料機構。在不同的時間段采用不同的充電標準，使用戶可以根據自己的需求智能分配充電時間，以提供真正的低碳環(huán)保。

3直流充電樁控制系統(tǒng)硬件設計3.1控制系統(tǒng)組成概述直流充電樁控制系統(tǒng)的整體思想是通過嵌入式ARM核心處理器，完成對充電樁進行充電管理等相關的工作，并將電池盒的信息和用戶在充電過程中的用電信息傳送到系統(tǒng)后臺。為了便于后臺管理人員監(jiān)測充電樁充電情況。其中，主控單元作為控制系統(tǒng)的核心，對充電樁的運行進行控制，而人機交互單元和讀卡器模塊則主要負責用戶信息的輸入，充電樁運行信息的顯示，以及計算等。充電等功能：存儲模塊負責對充電樁的使用信息及操作參數進行保護與存儲，mod控制系統(tǒng)的電源為充電樁控制系統(tǒng)的正常工作提供了電力保證，充電模塊的作用是為電動汽車電池提供可調的直流電源，專門為電動汽車電池充電：測量模塊對充電能量、電流、電壓等信息進行采集與測量。以主控制器為核心的實時計費為數據支撐。直流充電樁控制系統(tǒng)的硬件組件如圖3-1所示。圖3-1控制系統(tǒng)硬件框圖3.2主控制單元設計3.2.1主控板芯片選型作為控制系統(tǒng)的主體，直流充電樁的主控制板不僅控制整個充電板的操作，而且還必須將在操作期間收集的數據信息傳輸到每個功能模塊以進行通信和交互。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，需要功能強大且經濟的處理器芯片。本文主要使用意法半導體公司基于ARMCortex-M3內核的STM32F103系列芯片，具體型號為STM32F103ZET6，其主要特點是：（1）處理器工作速度快，其72MHz的工作頻率可完全滿足直流充電樁的正常工作運行要求。（2）內置存儲器具有大容量，512KB閃存和64KBSRAM，可有效支持在充電樁控制系統(tǒng)中記錄大量程序代碼以實現充電管理功能。（3）豐富的外圍接口，總共112個I/O接口和各種通信接口（包括I2C，SPI，USART，SDIO，USB，CAN總線等接口）可以通過其外部接口連接到充電樁的其他功能模塊。（4）該芯片具有大量中斷（84）和豐富的可編程優(yōu)先級（16級）的特性，并且所有觸點都可以隨時輸入為中斷源。（5）該芯片具有一個工廠預設的8MHzRC振蕩器，一個經過校準的40kHzRC振蕩器和一個32kHzRTC振蕩器，便于開發(fā)人員開發(fā)晶體。（6）內置三個12位A/D轉換器，最大轉換速度為1MHz。同時，該微電路還具有2個用于輸入數字信號的數模轉換器，包含2個獨立的輸出通道，并且相互轉換互不影響。它可以滿足多信號采樣的功能要求。3.2.2STM32F103最小系統(tǒng)設計最小直流樁系統(tǒng)包括晶振電路，供電電路，基準信號源，復位電路，起動和起動電路SWDBOOT電路。本系統(tǒng)的主控芯片STM32F103ZET6在2.0~3.6V的工作電壓范圍內，選用了通常使用的3.3V電源作為電源。為了更好地工作，將8MHz的被動晶體與1M的反饋電阻并聯到一起，構成了最小系統(tǒng)主電路的晶振電路。在此基礎上，將一塊22pF左右的電容并聯在一起，使其成為平行諧振腔。在參考源電路中，將兩組濾波電容并聯于VDDA管腳與3.3V供電電壓間，有效地抑制了輸入端的高頻諧波，增強了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在編寫了控制系統(tǒng)的程序之后，需要把程序的代碼通過數據線路寫到主控板上以供調試。SWD接口具有裝置管腳少、裝載靈活、易于擴展等特點，尤其是當主機板空間受限時，可通過添加新的功能模塊，使工程變得更加簡單和經濟?？梢栽黾有碌墓δ苣K，簡化工程，節(jié)約成本。圖3-2顯示了SWD啟動原理圖。圖3-2SWD下載電路STM32F103ZET6的主控制器采用的是低電平的復位方式，所以需要用一個上拉電阻來與復位端相連。當主機啟動重新啟動時，需要一定的時間來進行初始化工作。在這一點上，復位應該維持在低水平。重置電路是利用了電容器上的電壓不會突變的特點。供電一開，電容上得電壓立刻降到零。在這一點上，晶片被重置，接著，電源經由上拉電阻器R3給電容器C1充電，直至電容器上的電壓達到高電平為止。接著，主控制芯片就會正確地工作。圖3-3復位電路STM32有多種啟動方式，主要由BOOT電路來控制，具體啟動模式如表3-1所示。表3-1STM32BOOT啟動模式選擇BOOT0BOOT1啟動模式說明0×用戶閃存啟動用戶閃存啟動，即FLASH啟動10系統(tǒng)存儲器利用串口1下載程序，從系統(tǒng)存儲器啟動11SRAM啟動SRAM啟動，用于在SRAM中調試代碼由于主控制系統(tǒng)使用SWD加載程序，因此BOOT0必須設置為低。按照上述選擇方法，開發(fā)的BOOT啟動電路如圖3-4所示。其中，BOOT0和BOOT1必須連接到10kΩ降壓電阻，因此用戶的默認觸發(fā)模式是閃存啟動，當需要更改觸發(fā)模式時，只需更改撥號代碼。圖3-4BOOT啟動電路原理圖3.3控制系統(tǒng)電源電路設計在STM32單片機的整體控制中，各個功能模塊的供電電壓各不相同。本論文所設計之直流充電站控制系統(tǒng)，需采用三種電壓參數，分別為+3.3V、+5V、±12V，其中+5V和±12VB是通過外部開關電源模塊來完成的（如圖3-5所示）。該開關電源采用220V交流電壓，并將其輸出信號分成直流+5V、接地、直流+12V、SGND兩套。圖3-5開關電源模塊針對直流充電站的主控芯片、液晶顯示控制電路、LED燈條、RF等模塊的工作要求，設計了一種5V到3.3V的供電電路，如圖3-6所示。采用AMS1117線性穩(wěn)壓器，可在5V到3.3V之間進行電壓變換。在AMS1117芯片上各有一個電容，用于高通濾波，減小了系統(tǒng)的紋波，并有效地抑制了AMS1117的自激振蕩。為避免因輸入電流過大而對主控芯片造成損傷，本設計采用6V1A的自愈熔斷器，并在電路內加裝濾波電感，抑制高頻諧波。在減少能源消耗中扮演角色。圖3-6電源電路原理圖3.4充電樁連接檢測電路設計3.4.1充電接口概述DC充電樁通過將可移動線纜的充電插口與電動車的充電接口相連，實現對蓄電池的充電。為保證電動汽車在充電時的人身和用電設備的安全性，我國相關部門制訂并頒布了一系列的充電樁工業(yè)標準，其中對直流充電接口的基本要求、結構類型、功能和尺寸的定義和標準參數進行了詳細的規(guī)定。3.4.2充電握手電路充電時的握手電路，其主要作用是在對電動汽車進行充電時，對充電槍和汽車充電接口進行握手檢查。在圖3-7中顯示了特定的電路圖。在STM32將0-3.3VPWM信號輸入到CC-CC2網絡后，由TLP185與光電耦合器相隔離，然后把它變成-12V到+12V的PWM波，再由LM2903運放比較器輸出+12V，從而實現對PNP的控制；此外，由于存在一種NPN型晶體管，所以一次僅能導通一個晶體管。這樣，輸出為±12V脈寬調制波形，經過CC2網絡。該LM224比較器從外界對CC1網絡進行外部PWM信號的控制，從而對TLP185光電耦合器進行控制，該光電耦合器將±12VPWM輸出變換成0~3.3V的PWM，并通過CC-A1網絡與STM32的采集終端相連。捕獲脈沖寬度調制信號。圖3-7握手電路之PWM捕獲3.5存儲模塊設計由于直流驅動器工作在持續(xù)工作狀態(tài)下，數據只存在于微處理器（MicrocontrollerROM,MCU）中，因此，該驅動器的存儲器模塊使用了外置存儲器模塊。這樣就失去了歷史數據；另外，采用外置存儲模塊，實現了充電過程中的實時狀態(tài)信息的保存，保證了充電系統(tǒng)在停電后重新供電后仍能正常工作。在本論文中，我們使用的是RamtronFM31256記憶體芯片。本設計使用14管腳SOIC封裝，利用3.3V外接電源驅動鐵電晶片。該芯片采用I2C通訊方式，使得讀取、寫入等對存儲器模塊進行控制，均采用I2C總線協議。圖3-8顯示了內存模塊的特定布局。圖3-8FM31256鐵電存儲電路原理圖該電路采用10K歐姆的上拉阻抗，將SDA（SDA）、時鐘線SCL（SCL）與VCC3.3V（3.3V）相連，以增強數據線的抗EMI性能。同時，該芯片周邊采用32768KHz的時鐘信號，可以輸出1赫茲的數字、時間、日期等各種時鐘信號。此外，在VBAK與VSS間還設有一塊備用電池，可使記憶體晶片在關機后仍能保持即時時鐘，以保證記憶體的重要資訊不會遺失。3.6充電模塊的選擇與設計直流充電模組實質上就是一種充電電源，它的基本作用就是把來自外界的三相交流電轉化成整流的直流電，再通過整流-反相整流后，再由蓄電池供電。圖3-9所示為電動車充電模組的原理圖。首先，在第一階段，利用維也納PFC技術，將交流電源整流成直流，再經逆變電路轉化成高頻交流電，以改善充電電流品質。經過交流電轉換成直流電之后，可以用來給電動車的蓄電池充電。圖3-9電動汽車充電模塊結構示意圖本課題選擇了鄭州神米智能電氣技術有限公司生產的YMT15K-30500型直流輸出和充電組件，見圖3~10。本發(fā)明提供了一種新型的充電控制方式，具有較高的功率因子、較高的工作穩(wěn)定性和較高的充電效率。該裝置還具備穩(wěn)壓限流，輸入過電壓及欠電壓保護，短路保護，輸出過電壓保護，過熱保護，報警顯示等多種功能。在表3-2中列出了充電組件的主要技術參數。圖3-10充電模塊實物圖表3-2YMT15K-30500充電模塊的主要技術參數名稱參數輸入電壓AC（380±20%）V頻率47～63Hz功率因數≥0.99紋波系數≤0.5%穩(wěn)流精度≤1.0%穩(wěn)壓精度≤0.5%最大輸出功率15kW輸出電壓DC（200～500）V最大輸出電流30AYMT15K-30500充電模塊的輸出電壓和直流電流主要由主控制單元進行調節(jié)和監(jiān)控，CAN總線協議命令消息傳輸方法用于交互數據交換。CAN通信接口的具體布局如下圖3-11所示。圖3-11CAN總線通信接口原理圖在本系統(tǒng)中，以TJA1050為收發(fā)模塊，完成了CAN總線的設計。它的主要優(yōu)點是高速（1Mbps)，電磁輻射小，抗EMI性能好。采用CAN總線作為主控裝置與充電裝置的通訊方式，為了保證信息的可靠與穩(wěn)定，將數據的傳送速度設置在125Kbps。該電路以5V電壓提供電源，并將120歐姆的匹配電阻器與TJA1050收發(fā)信機芯片的差分訊號CANH與CANL相連。3.7交易結算模塊的選擇與設計交易運算模塊是一種基于RFID技術的電子商務系統(tǒng)，它是一種基于RFID技術的電子商務系統(tǒng)。在本論文中，以RFID-RC500型為讀取裝置，以MIFARE1S50IC卡（M1）為電子標簽，進行結算運算。因為該射頻模塊采用5V的工作電壓和單片的串口進行通訊，而主控裝置的主控芯片STM32F103的操作電壓是3.3V，所以采用了一種高速光電耦合片HCPL0601來對電壓進行變換。310歐姆的電阻被連接到外部。輸入/輸出端采用一個上拉電阻器，以避免其它信號電平干擾正常的數據傳送，輸入輸出端在缺省狀態(tài)下被設為"1"。下面的圖3-12顯示了射頻模塊的接口電路。圖3-12交易結算模塊射頻接口電路原理圖3.8人機交互模塊的選擇與設計3.8.1LCD液晶顯示模塊本論文以深圳市拓普科技股份有限公司生產的LCD模組LM240128C做為人機交互充電站的互動顯示模組LM240128C，并以LM240128C做為人機交互充電站的互動顯示模組。LCD屏幕為5.1英寸，使用了240x128的矩陣模塊，可以顯示各類文本和圖像，給用戶帶來了一個更直觀、更便捷的顯示接口。LCD模塊具有18個輸入/輸出接口，每一個輸入/輸出接口的作用如表3-3所示。表3-3LM240128C液晶顯示模塊端口定義端口號123-678-15161718使用定義GNDVCC控制位RST數據口背光空GND由于LCD模塊的工作電壓為5V，而STM32主控制芯片的端口電壓僅為3.3V，因此LCD無法正常工作。因此，本文將具有三態(tài)輸出的74HC4050D六相緩沖轉換器和74LVC4245A8位總線收發(fā)器用作LCD驅動器芯片，以確保LCD正常工作。在控制顯示器的背光時，請使用IO端口控制PNP晶體管以控制LCD的背光。下面的圖3-13給出了用于控制LCD的具體電路圖。圖3-13LM240128C液晶驅動原理圖3.8.2矩陣鍵盤輸入模塊因為LCD只是提供了一個接口顯示，并沒有給使用者及管理員提供一個輸入資料和查詢的方法，所以，為了方便使用者與收費員的管理，并讓使用者能夠更好地進行人機互動，所以我們使用了矩陣鍵盤做為輸入裝置。由于計費人員在夜間值班，所以在使用過程中，使用者往往看不到鍵盤上的按鍵，造成了一些不便。所以，我們選用了帶有背光的矩陣鍵盤。圖3-14帶背光LED的矩陣鍵盤接口原理圖3.8.3LED指示燈帶和蜂鳴器電路在充電站外殼的上方，裝有一根由各種顏色構成的亮的LED指示條，以方便地顯示系統(tǒng)的狀況，并讓使用者能夠在充電站的工作期間，隨時掌握充電狀態(tài)的指示信息。另外，該單片機還將4個單片輸入/輸出接口，用來顯示充電站的工作狀態(tài)，3個是LED指示燈，用來顯示充電站前端的電源、工作及故障情況，另外一個用來安裝。在主控制面板上，作為一個系統(tǒng)操作手冊。全部發(fā)光二極管都是通過電流來控制的，所以發(fā)光二極管的照明性能得到了很大的提升。圖3-15所示為充電站工作狀態(tài)指示器的界面定義，以及系統(tǒng)指示器運動的線路圖。圖3-15直流充電樁運行狀態(tài)LED燈帶接口與系統(tǒng)運行指示燈原理圖當使用時，當充電板發(fā)生故障時，蜂鳴器會提醒使用者充電板有問題，需要進行檢修。在圖3~16的蜂音器電路中，采用主動蜂音器，其工作電壓為3.3V。與被動式蜂音器相比，其驅動方式更為簡單。低的輸出會導致蜂鳴器失靈。圖3-16蜂鳴器電路原理圖

4直流充電樁控制系統(tǒng)軟件設計4.1軟件平臺的搭建直流充電樁控制系統(tǒng)是一個重要的組成部分，它的軟件功能是監(jiān)測并管理各種硬件資源，包括充電時的計費、與各個外設模塊的通訊、人機界面的交互以及充電等。在此基礎上，利用Keil公司的KeiluVision5軟件，設計了基于嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)，并在此基礎上設計了基于嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)。為了便于以后的維修與完善，本論文提出了一種模塊化的設計方法。與采用51種可直接配置的MCU組態(tài)寄存器不同，STM32系列微處理器的設計與開發(fā)采用的是意法公司所提供的一些功能性接口。這些功能性界面被稱作應用程式設計介面（applicationprogramminginterface,API）。通過該函數接口，開發(fā)者可以對STM32寄存器進行配置。此方法也被稱作圖書館功能開發(fā)。該軟件開發(fā)迅速，維護費用低廉，便于用戶閱讀。在這一章中，大部分的程序都是使用了類庫功能來寫并發(fā)展的。在圖4-1中顯示了庫設計和直接配置寄存器之間的差異。圖4-1開發(fā)方式對比圖因為MDK開發(fā)工具能夠支援基于Cortex-M,Cortex-R4,ARM7,ARM9等核心的微處理器。利用KeilMDK開發(fā)工具，利用J-LINK下載模擬器，可以實現對該軟件的在線模擬與下載，從而極大地簡化了程序的設計、開發(fā)與調試。4.2總體工作流程設計由于本論文所編寫的直流記憶體程序無操作系統(tǒng)，所以其基本架構基本上是以主循環(huán)與中斷方式并行進行。主循環(huán)是一種無限回路，在連續(xù)查詢中，主循環(huán)在滿足一定條件后，完成對應的子循環(huán)或對相關事件進行處理。中斷服務程序負責對收發(fā)數據進行通訊，并對輸入端的交換機數目進行檢測。當發(fā)現有錯誤時，對應的錯誤標記將被改變，隨后的過程仍然是主循環(huán)。主要分為充電握手、用戶配置、充電開始、充電結束四個階段，每一階段都可以實現不同的功能需求。首先，在充電站啟動后，系統(tǒng)將進行初始化，并進行自檢，以判斷各個功能模塊的連接情況。在程序進入待機狀態(tài)時，使用者的手指劃過地圖，就可以自己選擇自己的充電模式，而系統(tǒng)則會按照不同的模式進行相應的操作。當客戶完成費用核算后，將重新進入備用周期運行。本課題擬通過研究兩種充電模式，分別研究兩種充電模式，以降低充電對電網的沖擊，并以此為基礎實現對用戶的經濟節(jié)約?？蛻艨梢愿鶕约旱囊螅孕性O計一套可以隨時進行充電的裝置，也可以在規(guī)定的時間內預約充電。該充電站可以實現電動充電、總充電、定時充電以及預充電四種充電方式。用戶可以根據自己的需要任意選擇充電方式。在本文中，當使用者設定好充電模式之后，充電樁將預先扣除對應的充電量，當扣完后，使用者可將IC卡取下，這時直流充電樁便會啟動對電動車進行充電。在充電的過程中，使用者若要中斷，只需再次讀取卡片即可，然后讀取卡片上的電量，再進行計費。收費結束后，由收費人員退回多扣的手續(xù)費，并將詳細的交易情況傳送至后臺的控制系統(tǒng)中，并做好記錄。上述為電動車在一般條件下完成充電作業(yè)的工作流程，使用者亦可藉由刷卡開啟新的充電流程。4.3連接檢測子程序設計在對電動車進行充電之前，充電站必須先保證充電線的可靠連接。在使用過程中，應根據GB/T20234-2015國家標準中對充電槍進行測試。按照第三章所述的接線方式，充電接線電路需要生成脈寬調制脈沖。采用STM32F103ZET6作為主控芯片，實現了PWM的輸出方式。主控板發(fā)出的定頻脈寬調制信號，通過STM32單片機的計時器對其進行檢測。如果收到的信號是正確的，那么就可以對蓄電池進行充電。電池組與電動車的充電插口充分相連。定時器計數器STM32的值從0開始增加。當輸出比較寄存器中的值等于它時，輸出信號反轉，當定時器繼續(xù)計數到與自動復位寄存器相同的值時，輸出信號反轉并且計數器復位。根據各種寄存器值的設置，您可以接收一個PWM信號，該信號的頻率和占空比可以自由設置。在本文中，定時器3用于輸出PWM波，輸出I/O端口為PB0和PB1，它們對應于TIM3定時器的通道CH3和CH4。具體配置步驟如下：（1）使能定時器3和GPIOB時鐘；（2）初始化IO口為復用功能，開啟AFIO復用時鐘；（3）初始化定時器和輸出比較寄存器參數，使能定時器。STM32定時器PWM輸出部分程序如下：voidDC_PwmInit(void){RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);//使能定時器3外設時鐘RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);//使能GPIOB外設時鐘TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseStructure);//根據指定的參數初始化TIM3TIM_OC3Init(TIM3,&TIM_OCInitStructure);//使能通道3TIM_OC3PreloadConfig(TIM3,TIM_OCPreload_Enable);//CH3預裝載使能TIM_OC4Init(TIM3,&TIM_OCInitStructure);//使能通道4TIM_OC4PreloadConfig(TIM3,TIM_OCPreload_Enable);//CH4預裝載使能TIM_ARRPreloadConfig(TIM3,ENABLE);//使能TIM3在ARR上的預裝載寄存器TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);//使能TIM3}在PWM定時器TIM3的基礎上，利用定時器4、8對PWM波形進行捕獲，從而完成PWM波形的工作周期檢測。而STM32所提供的探測方式是一種特殊的計時器方式，當采集通道在相同的輸入、輸出兩端被順序地顯示，邊緣值被設為有效值時，其極性正好相反。在這篇文章中，我們的設計是把捕捉信道2作為觸發(fā)器輸入，把從寄存器設定為重置。在脈沖寬度調制循環(huán)啟動時，將脈沖寬度調制信號的上升邊緣作為捕捉信道2的重置信號，從而使計數器啟動計數。類似地，當PWM信號降低時，捕捉信道1開始，由此固定PWM工作循環(huán)的值。在下一循環(huán)中，采集信道2會在脈寬調制信號的上升邊緣重新被觸發(fā)，脈沖寬度調制信號被捕獲，計時器被重置。4.4電表通信子程序設計由于為充電樁選擇的三相電表主要通過通訊協議DL/T645-1997（簡稱協議97）與閱讀器相連接。在通信期間，每個字節(jié)包含一個起始位，一個8位二進制代碼，一個偶校驗位和一個停止位，指定的字節(jié)格式如圖4-2所示。圖4-2DL/T645協議傳輸字節(jié)格式該協議采用數據幀的形式來傳輸數據，發(fā)送時先傳低位，后傳高位，其數據幀格式如表4-1所示。表4-1DL/T645協議傳送數據幀格式幀起始符地址域幀起始符控制碼數據域長度數據域校驗碼結束符68HA0～A568HCLDATACS16H遵循DL/T645-1997通信協議并使用RS485通信方法，三相電表可以在充電過程中有效地收集電壓，電流和能量等數據。在打開主控制板后，初始化相應的串行端口后，微處理器將命令幀發(fā)送到計數器，在功率計接收到命令幀后，將根據通信協議對檢測到的電流，電壓，功率和其他數據進行代碼轉換。然后以響應幀的形式響應微處理器。解碼后，微處理器將相應的數據信息存儲在指定的寄存器中。電表通信程序的具體流程如下圖4-3所示。圖4-3電能表通信程序流程圖在開發(fā)計數器通信程序時，本文使用STM32中的異步通信端口USART1向485計數器接口發(fā)送請求命令。計數器收到請求命令后，將諸如瞬時電流，瞬時電壓和有功電能之類的參數返回給STM32主控制單元。用于隨后的數據存儲以及會計和計算。設置異步串行通信端口時，請將時鐘頻率設置為36MHz，并將傳輸速度設置為2400bps。具體的配置過程分為以下步驟：（1）串口時鐘使能，GPIO時鐘使能；（2）串口參數初始化，GPIO端口設置；（3）開啟中斷，并分配中斷優(yōu)先級，使能串口。主控單元獲取電表參數信息的部分程序如下：voidget_meter_val(void)//獲取電表參數{Transmitter_Control();//串口工作控制if(TransmitterRcv485Data.flag)//接收485串口數據{//處理接收到的信息Transmitter_DisposeRespondPackage(&TransmitterRcv485Data);//處理完數據后清空接收緩沖區(qū)memset(&TransmitterRcv485Data,0,sizeof(TransmitterRcv485Data));}}4.5RFID交易結算子程序設計電動汽車充電后，用戶需要通過刷卡完成充電計算服務。本文檔開發(fā)的計費交易計算方案主要由IC智能卡，射頻讀寫模塊和主控單元組成，主STM32控制單元通過串口與射頻讀寫模塊通信，并向其發(fā)送各種數據，讀取卡的命令、書寫卡及其他相關操作。其中，與RF500RF讀取器模塊一起使用的MIFARE1S50非接觸式IC卡（簡稱M1卡）包含EEPROM存儲器，該存儲器可分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)可分為3個數據塊和1個控制單元，每個塊具有16個字節(jié)的容量。在本文的實際開發(fā)中，M1卡基本上存儲了IC卡號，密碼和用戶消費信息等。同意在扇區(qū)1中使用數據塊4和5來存儲上述數據信息，數據塊6作為備份區(qū)域，而塊7控制保存訪問控制的密鑰和位，并使用密鑰A和密鑰B共同檢查卡上信息傳輸的安全性。STM32微處理器采用RS232串行通訊模式對MFRC500RF模塊進行讀寫，并在RF卡M1與讀寫模塊間進行信息傳遞，從而完成對每一次下載記賬事務的計算。在圖4-4中顯示了錄制模塊的通訊方式。在這個例子中，重置應答鏈接是指在讀取器-寫入器的操作區(qū)域中，讀取器-寫入器會按照一定的協議與它進行通訊，判斷它是不是M1射頻卡，也就是檢驗卡片的種類。在讀取器-寫入器模塊的工作區(qū)域中存在多個卡片時，可以使用一種避免沖突的方法來進行操作，而沒有被選擇的卡片將會在等待下一步的操作?？ㄆx擇操作就是選取所選卡的序號，并傳回卡片編號。當選擇好的卡片被裝載后，射頻讀出器需要識別扇區(qū)編號，并經過扇區(qū)代碼校驗和三重互校驗后，才可以對數據信息進行處理，其中包括對數據塊的采樣與記錄，對特定的數值進行加減，并將數據內容以區(qū)塊的方式進行存儲和傳送。當這些步驟都做完之后，就會進入最后一步，然后再進行下一步的讀取和寫入。圖4-4IC射頻卡與RC500讀寫模塊通訊流程圖下圖4-5為IC卡讀/寫數據程序流程圖，初次使用卡時，用戶將卡中存儲的卡號，卡號，密碼，充電操作和其他信息讀入主控制單元的微處理器中，以執(zhí)行檢查應計組用戶密碼和在卡上請求信息的功能。充電完成后，再次觸摸卡即可扣除實際費用，并在卡上記錄消費信息，IC卡上記錄的內容還包括消費后余額和近期消費記錄等信息。調用用于從IC卡讀取數據的程序后，充電樁控制系統(tǒng)開始初始化RC50