电动汽车充电站网络监控系统的研究

邮局订阅号：82-946 360元/年 技 术 创 新 汽车电子 PLC 技术应用 200 例 您的论文得到两院院士关注 电动汽车充电站网络监控系统的研究 Research of EV Charge-Station Monitor System (北京交通大学)李明姜久春牛萌 LI Ming JIANG Jiu-chun NIU Meng 摘要:本文介绍了基于单片机MC9S12DT128的电动汽车充电站网络监控系统,在完成了uC/OS_II在单片机上的移植后实现 了充电站对站内充电机的监控功能。 文中给出了系统的硬件设计和软件设计以及上位机与站内充电机的通讯方案。 关键词:充电机监控系统; CAN 中图分类号: TP393.1文献标识码: A Abstract:The thesis introduced network monitor system of electric vehicles charge-station which based on single-chip MC9S12DT128. Analyzes the C/OS-II and ports it to the MC9S12DT128, the capabilities of the charger monitor system were implemented. In this thesis, the system hardware design and software design, as well as communications program between the PC and charger were de- scribed. Key words: Charger Monitoring System; CAN 文章编号:1008-0570(2010)04-2-0163-02 1引言 随着能源和环境压力的加剧, 电动汽车逐渐成为各国政府 和汽车制造商的关注焦点,要缓解城市交通的压力,同时又要保 护环境,必然要大力发展电动公交系统,目前新建的充电站普遍 实行少人值守,这就要求高自动化的充电机监控系统。 本监控系 统就是针对这一情况, 制定了相应的通讯协议, 完成了监控的 CAN 网络设计与开发。并成功应用于 2008 北京奥运会电动汽 车充电站。 2充电机监控网络 充电机监控网络结构如图 1 所示,系统由充电机,充电机控 制器,监控 PC 三个主要设备组成。 图 1 系统结构图 主要功能有实现充电机开机、 停机、 设置参数、 记录和显示 充电机的运行参数;显示和记录充电机的运行故障;接收车载电 池管理在充电期间的电池组主要数据; 显示和记录充电期间电 池组故障等。 3系统硬件设计 3.1 充电机 充电机是电动汽车充电站对电池组进行能量补充的主体。 充电机以隔离型桥式 DC/DC 变换器为主体结构,控制系统由驱 动板和单片机控制系统组成。 3.2 充电机控制器 充电机控制器是整个充电站系统的关键部分, 担任整个充 电站网络监控系统的中枢环节,是实现充电站高自动化,模块化, 智能化的关键。控制核心采用 Motorola 推出的 HCS 12 系列 16 位 MCU 一 9S12DT128,内部除中央处理单元 CPU12 外,支持背 景调试模式和大容量存储器扩展,内部不仅集成 FLASH, EEP ROM 及 RAM 存储器, 而且还集成 CAN, BDLC, SCI, SPI, HSIO 等多种接口,功能丰富,速度高、 功耗低、 性价比高、 系统设计简 单。FLASH 存储器具有快速编程能力、 灵活的保护与安全机制, 而且擦除和写入无需外部加高电压。因此选用作为监控系统的 核心芯片。其主要功能包括: 1.实时监控充电机状态,包括电流、 电压、 时间和电量等参 数监测、 计量和显示;同时具有人机交互功能,可以按照用户的 要求提供多种充电策略。 2. 与充电站巡检中心的监控 PC 进行数据交换, 接受监控 PC 发送的各种命令,保证每台充电机的状态都在监控中心的监 控下。 3. 充电及控制器还必须能与车载电池管理系统进行通讯, 获取车上电池组的基本信息, 并能根据电池组的数据完成自动 选择充电模式及充电参数。并将电池管理系统的相应数据发送 给监控 PC。 3.3 监控 PC 机 巡检中心的监控 PC 通过充电机控制器实现对充电机的远 程控制和实时监控,记录充电机运行和故障情况。 管理人员可以 通过监控 PC 对充电机的运行参数进行查看和修改, 启动和停 止充电机充电过程,在充电机运行过程中,实时监控充电过程并 记录。通过充电机控制器和车载电池管理系统,监控 PC 还可以 申请读取电动汽车上电池组的信息,记录各电池组的数据,为将 来进行数据分析及电池维护提供依据。李 明:硕士研究生 163 - 技 术 创 新 微计算机信息 (嵌入式与 SOC)2010 年第 26 卷第 4-2期 360元/年 邮局订阅号：82-946现场总线技术应用 200 例 汽车电子 4通讯方案 控制器与车载电池管理系统、监控 PC 之间均通过隔离的 CAN 总线传输数据。CAN 网络可以无破坏性地给予优先权的 仲裁,各个节点之间依据优先权进行总线访问。CAN 系统内任 意两个节点之间的传输距离与其位速率有关, 其最大速率可达 到 1Mbps,最远距离可达 10km。 4.1 数据帧格式 充电机监控网络数据帧采用含 29 位标识符的扩展帧。帧 中各字节含义如表 2 所示。其中:(1)ID28、 27、 26 表示帧中数据 的优先级;(2)ID25、 24 一般固定为 0,ID 23、 22、 21、 20、 19、 18、 17、 16 表示数据帧功能;(3)SRR,IDE 固定为 1,ID15、 14、 13、 12、 11、 10、 9、 8 为目标站点地址,上行时为监控计算机地址,下行时为充 电机地址,充电机地址使用 0-255 共 256 个,255 为全局地址,表 示发送给网络上所有节点其余 0-254 各表示一台充电机的地 址;(4)ID7、 6、 5、 4、 3、 2、 1、 0 表示源站点地址。 ,上行时为充电机地 址, 下行时为监控计算机地址, 其中充电机地址同上说明。(5) RTR 为 1 时, 表示发送的为远程帧,0 时发送的为数据帧;(6)数 据域 DATA1-DATA8 代表传输的数据,包括电压,电流,温度,故 障等。 图 2 控制器与监控 PC 通讯帧格式 4.2 硬件结构 控制器与电池管理系统、监控 PC 通讯接口采用隔离的 CAN 接口,其硬件接口电路如图 3 所示。选用高速光耦做为隔 离器件以满足通讯速度要求。 图 3 隔离 CAN 通讯接口电路 5系统软件设计 5.1 充电机控制器的程序设计 由于在嵌入式实时操作系统 uC/OS_II 平台上写应用程序, 所以要根据嵌入式控制器的设计要求考虑划分系统任务, 一个 任务,也称为一个线程,是一个简单的程序,该程序可认为 CPU 完全只属于该程序自己。 每个任务都有自己的栈空间,这部分占 用的内存相当多。因此任务不宜划分的过多。任务不能划分过 少,完成多个功能的事件放在一个任务,容易引起混乱,程序也不 易阅读。根据上述要求及 uC/OS_II 系统的实际情况,可建立以 下任务: 1.系统任务创建和键盘扫描任务,优先级为 8 2.控制充电机工作任务,优先级为 4 3.与监控 PC 通讯任务,优先级为 5 4.与车载电池管理系统通讯任务,优先级为 7 5.显示任务,优先级为 9 6.菜单设置及数据存储任务,优先级为 12 其中优先级数值低的任务会被优先执行, 空出的优先级是 为以后添加任务而准备的。 在与电池管理通讯中充电机接收电池管理发送的各种数 据,并根据其相应参数设定自身的工作参数。与监控 PC 通讯中 向监控 PC 发送自身参数及转发电池管理系统发送的相关参 数,并接收监控 PC 发送的开,停机,状态查询、 充电参数修改等。 充电机控制器在上电时首先需要建立起与各设备通讯的 链路,成功建立后才能保证系统的正常运行。上电后,控制器首 先自检是否接入了电池管理系统,如果接入电池管理,在检测完 电池组电压后,向电池管理发出建立数据链路的请求,若在请求 五次后,电池管理仍然没有响应,则不允许充电机工作,指示故 障。若成功建立,则可以向电池管理申请充电参数,同时电池管 理系统将各种电池参数发送到充电机控制器, 得到充电参数并 请求允许充电。同时将自身数据及电池管理发送的数据发送给 监控 PC,并接受监控 PC 发送的指令。 这个过程中有任何一步未 通过,都需标明故障,同时禁止充电机充电。如果控制器未与电 池管理相连,那控制器要向监控 PC 主动发送自身数据,并接受 监控 PC 发送的指令。之后控制器开放充电机充电参数手工输 入功能并从 EEPROM 中读取存储在里面的充电参数,在完成这 些步骤后,控制器建立各种任务进入正常运行阶段。 其程图如图 4 所示,由于在 uC/OS_II 系统中每个任务都在循环执行,所以建 立任务后的具体流程图并未具体显示在流程图中。 图 4 充电机控制器程序 5.2 监控 PC 的程序设计 上位机软件使用 VC 编写, 其重点也是与充电机控制器 CAN 通讯程序的编写。 上位机监控软件实时对充电机状况进行 监控,每 500ms 完成一次数据更新,监控人员可以根据需要在监 控室远程控制充电机,使用非常方便。(下转第 213 页) 164 - 邮局订阅号：82-946 360元/年 技 术 创 新 图像处理 PLC 技术应用 200 例 您的论文得到两院院士关注 以客观评价标准对分离结果进行分析对比, 分别计算分离 图像的峰值信噪比(PSNR),平均绝对误差(MAE)。对像素为 MN 的图像,其 PSNR 定义为: (4) MAE 定义为:。 式中,L 是图像中 灰度值最大值,对于 256 级灰度图像,L=255;h(x,y)和 g(x,y)分别 为标准图像与待评价图像的第(m,n)个像素的灰度值。 对于四种 方法的 PSNR 与 MAE 计算结果如表 1 与表 2 所示,其中列出了 Fast ICA 法,PCA 法, 均值滤波法和中值滤波法四种方法对 CT 图像进行去噪的 PSNR 与 MAE。由表中可看出,对于相同强度 的高斯噪声和椒盐噪声, 均值滤波法和中值滤波法的去噪效果 相对较差,而 ICA 方法与 PCA 方法相对较好,尤其 ICA 方法,能 显著提高复原图像的质量。 表 1 四种方法对 CT 图像 A 进行去噪后的 PSNR 与 MAE 表 2 四种方法对 CT 图像 B 进行去噪后的 PSNR 与 MAE 3结论及展望 Fast ICA 是一种高效的计算方法, 在未知源图像和混合矩 阵下对混合图像进行分离, 它使分离出来的噪声具有最大独立 性。 ICA 问题本身具有一些不确定因素,不过这不会影响该算法 对实际问题的处理。 从实验中我们可以看到 Fast ICA 法对于两 种人为加入的模拟噪声均能取得良好的效果, 而传统的均值滤 波法和中值滤波法在两种噪声同时存在的情况下就显出了不 足。下一步将用实际采集的有噪数据的情况下如何应用 Fast ICA 算法较好的去噪。 论文创新点:本文探讨了将 Fast ICA 算法应用于 CT 图像去 噪的方法。实验证明, Fast ICA 算法可以更好的滤除 CT 图像的 干扰信号。在理论以及应用上丰富了 CT 图像处理的研究方法 参考文献 1BROWNRIGG D. The weighted median filterJ. Communication Association Computer Machine,1984,27(8):807-818. 2唐权华, 周艳, 金炜东. 中值滤波算法的研究与改进J. 微计 算机信息, 2008,8-3: 187-189 3YAN He, DONG Shi- du, CUI Guan- xun.Novel intr a - scale and inter - scale cor r elation image denoising method based on complex wavelet tr ansform domain J.Computer Engineer ing and Applications, 2008, 44( 7) : 47- 50. 4杨福生, 洪波. 独立分量分析的原理与应用M . 北京:清华大 学出版社,2006. 5SHE Kun, PU Hong-mei, ZHENG Fang-wei. Fast Design of Independent Component Based on Single Pixel under Multisensing J. Journal of University of Electronic Science and Technology of China.2008,37(3):421-424. 6C. Jutten, J. Herault. Independent component analysis verus principal component analysis M. Europ. Signal Processing Conf. (EUSIPC088), Grenoble, France, 1988. 作者简介:邹 清(1983-), 女(汉族), 湖南衡阳人,广东医学院生 物医学教研室专业教师,硕士,主要从事医学信号处理与图像处 理研究。 Biography:ZOU Qing (1983-), Female (the Han nationality), Hu- nan,GuangdongMedicalCollege,Teacher,Mastersdegree, Biomedical Engineering, Research on Medical signal processing and image processing. (523808广东东莞 广东医学院公共卫生学院生物医学工程教 研室)邹 清 (410083长沙 中南大学信息物理学院生物医学研究所)唐 艳 (Institute of Biomedical Engineering, School of Public Health, Guangdong Medical College,Dongguang, 523808, China) ZOU Qing (Institute of Biomedical Engineering, Central South Universi- ty, Changsha, 410083, China) TANG Yan 通讯地址:(523808广东东莞松山湖新城大道1号广东医学院 332信箱)邹 清 (收稿日期:2009.05.18)(修稿日期:2009.08.18) (上接第 164 页) 6结语 本文介绍了基于 uC/OS_II 嵌入式实时操作系统的电动汽 车充电站网络监控系统,重点对充电机控制器与电池管理系统, 监控 PC 通讯部分进行了阐述。通讯方案设计合理,目前在电动 汽车充电站运行正常。 本文作者创新点:使用 CAN 总线系统传输速率快,通讯安 全及时可靠性高, 在发送期间数据丢失或因遭破坏数据帧都可 自动重发,甚至在严重出错的情况下,系统可以区分暂时错误和 永久性故障节点以及节