基于STM32的电动汽车快速充电机监控终端的设计

[键入文字]西南科技大学本科生毕业论文基于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

ThedesignofelectricvehiclefastchargermonitoringterminalbasedonSTM32Abstract：WiththeadventoftheeraofInternetofthings,toachievequickchargerofintelligentremotemanagement,themonitoringterminaldesignisoneofthekeytechnologies.CombinedwiththeSTM32MCUandreal-timeoperatingsystemUCOSII,theoveralldesignschemeoffastchargermonitoringterminalisintroducedinthispaper,tostudythehighpowerchargercanbusandGPRSdatatransmissionprotocolandthedesignmethodofsoftware,andanalyzestheeconomyofGPRStrafficcharges.Theresultsshowthattheterminaltoensuremonitoringnetworkisstableandtherunningstateofthechargermonitoringandremotemanagement.Withtheglobalenergycrisisdeepening,petroleumresourcesincreasinglydepletedandatmosphericpollution,thedangersofglobalwarmingintensifies,governmentsandautomobileenterprisesgenerallyrealizedenergysavingandemissionreductionisthefuturedirectionofthedevelopmentofautomobiletechnology,thedevelopmentofelectricvehicleswillbethebestwaytosolvethetwoproblems.Chinaattachesgreatimportancetothedevelopmentofelectricvehicles,thestatehasissuedaseriesofstandardstosupportandregulatethedevelopmentofelectricvehicles.Buttoachievealargeareaofelectriccarspopularinourcountrystillhasalongwaytogo,therearealotofproblemsneedtobesolved.Keywords:STM32;ElectricVehicle;Development

目录摘要 4Abstract 5引言 1第一章监控网络的整体方案 2第二章监控终端功能模块 32.1监控终端的总体设计 32.1.1SMT32介绍 42.1.2MC52i介绍 82.1.3SE880介绍 82.2CAN总线模块 92.3数据发送模块 11第三章交流充电桩系统方案 133.1电动汽车交流充电桩介绍 133.2交流充电桩系统工作原理 133.3交流充电桩系统方案 143.4控制系统单元电路 153.4.1主控制器选择 153.4.2RS485介绍 163.4.3串行接口电路 173.4.3ＣＡＮ总线接口电路 183.4.4充电电压测量电路 183.4.5控制导引电路 183.5桩体电气部分设计 193.6软件设计 20第四章μC/OS-Ⅱ的多任务管理 224.1μC/OS-Ⅱ的多任务管理介绍 224.2ZWG-23A模块的配置 234.3组网方案 254.4数据传输 26第五章测试及结果 29结论 31主要参考文献 32致谢 34西南科技大学本科生毕业论文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、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如图3.2所示。图3.2交流电桩电气连接示意图3.4控制系统单元电路3.4.1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。3.4.2RS485介绍RS485电气标准共经历了RS232和RS422两种标准的发展，它继承了RS422绝大部分的特点，并且还具备RS232所不具有的联网功能。相比于另外两种标准，RS485标准的设备性能得到了极大的提高。其一个驱动器的驱动能力至少可以驱动32个接收器，阻抗越高，可驱动的接收器数量越多。一般情况下，各个设备只有在进行数据传输时才会导通线路驱动器，并且在其高阻抗状态下，驱动器会停止工作，以保证其他设备能进行正常数据传输。现在市场上有很多设备都带有RS485接口，像光端机等。这种设备都具有转换通信标准的功能，可实现性能的最优化。例如，RS23/RS485转换器，可实现全双工RS232网络向半双工RS485网络转化。它具有以下特点：1.RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（2—6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2—6）V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。2.RS-485的数据最高传输速率为10Mbps3.RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。4.RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB-9（孔），与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9（针）3.4.3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RS485接口的电能表通信。LCD触摸屏和热敏打印机为RS232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(40A)。电表提供RS482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。电能表接口的电路图如图3.3所示。图3.3RS485接口原理图3.4.3CAN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》征求意见稿[5]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］SAEJ1939-20[6]的规定。3.4.4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，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。3.4.5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3.4所示。图3.4控制导引电路原理图3.5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。如图3.5所示。图3.5充电电压测量原理图3.6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3.6所示。 图3.6程序流程图为了使系统支持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。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。

第四章μC/OS-Ⅱ的多任务管理4.1μC/OS-Ⅱ的多任务管理介绍移植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/OS-Ⅱ的系统资源丰富，除去自身的系统任务外，用户可以建立多达56个任务，并提供信号量、消息邮箱、消息队列及内存管理等系统级服务，足以满足充电桩的监控终端的系统要求。为实现监控终端的功能要求，在μC/OS-Ⅱ中设计了以下13个任务：显示任务、键盘查询任务、输入处理任务、打印任务、数据的存储任务、IC卡的读/写任务、GPRS的发送任务、CAN数据的接收任务、CAN数据的发送任务、GPRS的接收任务、命令控制任务、报警任务及看门狗的喂狗和异常检测任务。μC/OS-Ⅱ的多任务的特点，规定每个任务都必须具有不同的优先级。根据任务的关联性、关键性、紧迫性、频繁性、实时要求性来确定任务的优先级，既要保证每个任务的相对独立性，又要避免任务调度频繁致使系统的效率下降。图4.1系统框图4.2ZWG-23A模块的配置GPRS是“通用分组无线业务”的简称，即：GeneralPacketRadioService。它作为向第三代（3G）通信技术的过渡产品，也常被人们称作“2.5G”。之所以称之为“过渡产品”，是因为GPRS网络依然依托于现有的GSM（即：全球通）网络系统，它是在现有的GSM网络基础上添加两个新的节点而组成的，一个是网关节点GGSN，一个是服务节点SGSN。如图4.2所示。图4.2GPRS网络结构示意图由图4.2可以看出，正是由于网关节点GGSN的存在，才使得GPRS无线网络实现了与公网的连接，从而也就实现了移动终端设备和公网上主机的相互通信。因此，从宏观角度来看，GPRS网络可以被看成公网Internet的子网，移动终端设备（如：手机、DTU等）则可以看成是子网中的主机，它们和公网中的主机一样，也具有自己的IP地址。GPRS无线通信技术具有如下优点：永远在线，GPRS采用的是分组交换技术，用户随时与网络保持联系；经济实惠，通信按流量计费，没有漫游费用，可跨城使用；覆盖面广，能使用移动电话的地方基本都能使用；速度较高，理论最高171.2kbps，实际40-100kbps；安全性高，使用基于GSMPhase2的安全措施和适合于分组交换的优化加密算法；组网灵活，提供TCP/IP连接，可以连上Internet的计算机，就可进行数据通信；ZWG系列GPRSDTU简介ZWG系列DTU分为设备和模块两种形式，如图4.2所示。ZWG-23A是一款基于GPRS网络的无线数据传输终端设备（简称GPRSDTU），它提供全透明的数据通道，和一个带流控的RS-232串口；ZWG-23DP是ZWG-23A的嵌入式版本，它提供的是一个TTL接口的串口，ZWG系列DTU无需用户设备进行Modem拨号和复杂的状态机管理，就可以方便的实现远程、无线、网络化、透明传输的通信方式。图4.2ZWG-23A产品外形ZWG系列GPRSDTU具有如下特点：支持数据透明传输，无需拨号断线自动重连支持备用数据中心支持APN虚拟专网业务支持数据中心动态域名或IP地址访问支持永远在线、空闲下线和空闲掉电三种工作方式永远在线方式下，心跳包数据可自由定义，最大长度256字节。支持本地和远程图形化界面配置与维护支持短信配置与维护支持掉电短信报警（定制）串口具有流控信号线和上线指示信号线支持数据中心虚拟串口功能，无缝衔接现有上位机软件支持5V～26V宽范围供电工作电流最大300mA、在线待机电流≤31mA、休眠时≤14mA具有850mAh备用锂电池，系统掉电后可向集中器供电（定制）支持本地和远程固件升级4.3组网方案该方案与通常意义上的电力抄表系统类似，该方案的现场抄表系统同样由集中器和电表组成，集中器通过GPRS无线网络和Internet公网最终将数据送到管理工作站，即：数据中心服务器。GPRS无线电力抄表系统结构如图4.3所示。图4.3GPRS无线电力抄表系统结构示意图需要说明的是，图4.3中所示的电力载波集中器与ZWG-23A是通过RS-232电缆连接的。实际工作中用户可以根据情况使用外置的DTU设备ZWG-23A，或者是嵌入式DTU模块ZWG-23DP，将GPRSDTU嵌入到整个设备中，成为电力载波集中器的一部分。4.4数据传输如图4.3所示，电力载波集中器通过电力猫定期读取载波电表的用电量（即：抄表），并将数据进行协议封包和加密。前期处理工作完成后，集中器开始检测GPRS

DTU是否上线（通过检查串口DCD上线指示信号是否为低电平），检测到上线后，即可通过DTU向管理工作站的数据中心服务器发送数据。服务器收到数据后返回应答信号，并进行下一步处理。整个过程中，集中器不需要对DTU进行任何拨号操作和其它额外的状态机管理，只需检查DTU是否在线，即：是否和服务器保持连接。完全可以把DTU当成一个“无线的串口”来使用，这个“无线串口”没有任何协议，完全透明传输。

当发生意外掉线的情况时，DTU通知集中器不要再发数据。这时，ZWGDTU的DCD信号变为无效，即：高电平。与此同时，DTU不断尝试连接服务器，直到连接成功为止。如果用户设置了备用数据中心服务器，则当主数据中心服务器在多次尝试连接不成功的情况下，ZWGDTU则开始尝试连接备用数据中心，并且两个服务器交替连接，直到连接上其中一个为止。由于现场抄表系统由市电供电，可能会发生停电的情况。ZWG系列DTU提供一个内部UPS（850mAh、3.7V锂电，需要定制），当DTU检测到系统掉电时，马上切换到备用电池供电，并且可以马上发送报警数据和报警短信分别给数据中心和工程管理人员，以便及时处理现场意外事故。如图4.3所示。当电力恢复时，DTU自动给备用电池充电，以便下次掉电时使用。ZWG系列DTU还支持短信配置功能，当数据中心服务器出现故障，DTU无法连接服务器时，管理人员可以在远程用手机以短信方式配置DTU，改变其目标IP地址，使其连接其它数据中心或使DTU复位，如图4.4所示。当DTU完成配置后，将给手机发送应答短信，表示配置成功。图4.4短信配置示意图由此可见，在集中器上安装DTU实现无线远程抄表，不仅可以解决人工抄表的所有问题，而且还可以随时对某个区域、甚至某个电表进行抽样抄取，抄表便捷、快速，只需要操作人员在远程利用抄表软件平台，就可以实现以往大量复杂的监控任务！结合GPRS无线网络的特点，网络组建、平台组建、方案实施都比较方便，并且投入设备比较少，投入资金不大。ZWG-23A通过串口与终端链接，它通过移动通信的GPRS网络链接互联网。由于周立功公司并没有提供基于μC/OS-Ⅱ的DTU配置程序，所以系统中需要自行开发相关的配置程序，其配置DTU的程序流程图如图4.5所示。图4.5配置DTU的程序流程图假设终端每天与中心连接注册一次，以每隔30s的心跳时间定时向中心发送监控信息，根据表6数据内容字节计算，一台终端一天发送报文所产生的GPRS流量大约为(228×2×60×24+294×2+100)(128×1024)=5MB，以每月30天计算，一年一台终端所产生的GPRS流量为1.7GB.采用2GB的包年流量套餐足以满足终端一年所产生的流量费。

第五章测试及结果J-Link是支持仿真ARM内核芯片的JTAG仿真器。配合IAREWARM，ADS，KEIL，WINARM，RealView等集成开发环境支持所有ARM7/ARM9内核芯片的仿真，通过RDI接口和各集成开发环境无缝连接，操作方便、连接方便、简单易学，是学习开发ARM最好最实用的开发工具。DQ电子推出的J-LinkV7仿真器采用原版固件，参照原版原理图，经过DQ团队的长时间精工制作，板型合理，元件布局美观大方，走线严谨精致，并且每一个产品都经过功能和老化测试，功能完全与原版一致，支持在线升级。J-LinkARM主要特点：IAREWARM集成开发环境无缝连接的JTAG仿真器。支持所有ARM7/ARM9内核的芯片，以及cortexM3，包括Thumb模式。支持ADS,IAR,KEIL,WINARM,REALVIEW等几乎所有的开发环境。下载速度高达ARM7:600kB/s，ARM9:550kB/s，通过DCC最高可达800kB/s*最高JTAG速度12MHz。目标板电压范围1.2V－3.3V。自动速度识别功能。监测所有JTAG信号和目标板电压。完全即插即用。使用USB电源（可接通J12跳线给目标板供电，出厂时未接通）。·带USB连接线和20芯JTAG连接排线。支持多JTAG器件串行连接。标准20芯JTAG仿真插头。带J-LinkTCP/IPserver，允许通过TCP/IP网络使用J-Link支持的内核：ARM7TDMI（Rev1）；ARM7TDMI（Rev3）；ARM7TDMI-S（Rev4）；ARM720T；CORTEXM3通道3频率17.57kHz，占空比为12.5%，其互补通道频率17.57kHz，占空比为87.5%，PWM输出

结论本文分析了交流充电桩控制系统的硬件设计与软件设计，叙述了充电桩电气部分的设计。该系统以STM32单片机为控制核心，实现了人机交互、充电控制、电能计量、IC卡付费、票据打印、运行状态监测、充电保护和充电信息存储和上传等多种完善的功能。该系统能满足电动汽车一般的慢速充电要求，作为充电基础设施的一部分对于推进电动汽车的普及具有重要的意义。

参考文献[1]康华光.电子技术基础模拟部分第四版[M].北京：高等教育出版社，1999.6.[2]阎石.数字电子技术基础第四版[M].北京：高等教育出版社，1999.6.[3]王福瑞等．单片微机测控系统设计大全［M］．北京航空航天大学出版社,1998(331－337)．[4]宁改娣,杨拴科．DSP控制器原理及应用［M］．科学出版社，2002．[5]周立功等.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.1.[6]周立功等.ARM嵌入式系统实验教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.1[7]唐清善.ProtelDXP高级实例教程[M].中国水利水电出版社，2004.4.[8]罗浩等.一种新的基于ARM的数据采集系统设计[J].信阳师范学院学报(自然科学版)，2006.4.·[9]秦伟等.基于ARM处理器的数据采集系统的设计[J].自动化技术与应用.2006年第10期.[10]杜春雷.ARM体系结构与编程.清华大学出版社，2003.[11]李宁.ARM开发工具ReaIViewMDK使用入门[M].北京航空航天大学出版社,2008.[12]李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用[M].北京航空航天大学出版社,2008.[13]刘黎明等.单片机与嵌入式系统应用[J].英文刊名MICROCONTROLLER&EMBEDDEDSYSTEM.2002(7).[14]赵葵银,王辉,吴俊.电压空间矢量控制的三相PWM整流器的研究[J].上海第二工业大学学报,2003(2):43-50.[15]吴安顺.高效率抑制PWM逆变器谐波的梯形调制信号[J]，电气传动.1987，No6，P10～15.[16]MalinowskiMariusz.Jasin'skiMarek,KazmierkowskiMarianP.SimpleDirectPowerControlofThree-PhasePWMRectifierUsingSpace-VectorModulation[J].IEEETransactionsonIndustrial,Electronics,2004,51(2):447-454.[17]K.S.RAJASHEKARA等.MicroprocessoyBasedSinusoidalPWMImverterbyDMATransfer［Ｊ］.IEEE.Trans.IndElectrol,Vol.IE-29,No1,1982P46～51.[18]GIVSEPPES.BUJAANDGIOVANNIB.INDRI.OptimalPulsewidthModulationforFeedingAcMotors［Ｊ］.IEEETrans.IndAppl,Vol,IA-13,No1,1977P38～44.[19]S.R.BOWES等.NewPWMSwitchingStrategyforMicroprocessorControlledInveterDrives［Ｊ］.IEEPROCEEDINGS,Vol.133,Pt.B,No41986P237～254.

致谢毕业设计终于接近尾声，作为大学阶段一次重要的学习经历我感觉自己受益非浅。本次设计是在罗金生老师的指导下完成的。在毕业设计期间，无论是确定工作方案、收集资料还是撰写论文，我都得到了罗老师的全力帮助和耐心指导。在论文完成之际，我首先要向我的指导老师表达我最诚挚的谢意，感谢罗老师在整个毕业设计过程中耐心细致的指导！感谢罗老师不辞劳苦地在我设计期间在理论和实践各个方面对我的有益的建议和具体指导，他诲人不倦的精神和对我的谆谆教导，使我受益匪浅；他严谨的治学态度，积极的进取精神，平易近人的工作作风，使我钦佩不已。其次要感谢在设计中给予我帮助和支持的所有同学们，他们与我就论文中许多问题作深入细致地讨论，并且给我提出很多宝贵的建议。大学几年的生活转眼就要结束了，这几年是我人生中最重要也是最美好的时间。在大学里，我不仅学到了丰富的专业知识，也学到了终身受用的积极的生活态度。母校严谨的学风和老师的广博丰富的知识令我敬佩。此时此刻，我要感谢信息工程系的全体老师几年来对我的指导和帮助，他们广博精湛的学识，严谨的治学态度使我得到的不仅是知识，还有他们对知识孜孜不倦的追求精神及做人的品质，这将使我终身受益。最后，我特别向百忙之中抽出宝贵时间来评阅这篇论文的各位专家和评委致以衷心的感谢。基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统\t"_b