直流充电桩系统设计

直流充电桩系统设计摘要：电动汽车中直流充电桩系统的开发和设计是一项实际的工程应用，可基本完成其控制系统的设计并确保其正常运行。该系统基于控制芯片STM32F103ZET6，它主要包括一个集成的主控制单元，一个能量测量单元，一个RFID读卡器，一个用于充电模块的RFDC输出模块以及一个人机交互单元。结合我国有关直流充电桩，CAN总线协议和DL/T645计数器通信协议的标准，开发并实现了300KW直流充电桩控制系统。该系统不仅可以监视和控制充电过程，还可以实时显示充电数据。本文首先分析了直流充电桩系统的工作原理，并根据其功能要求为300kW负载蓄电池控制系统制定了通用方案。通过分析充电桩的快速充电原理，选择合适的充电模式和控制充电终止的方法。其次，利用内置的控制技术，构建了系统软件和硬件控制平台来完成电路设计并选择DC充电桩的硬件，并使用KeilMDK软件开发平台来开发和编写充电桩控制系统的下层程序。最后，充电桩的各种功能模块通过STM32主控制板集成在一起，以协调与外部充电模块，电能测量模块，人机交互模块和射频卡读取器的通信，并且对该系统进行在线调试以完成DC充电桩的原型功能测试。经过实际测试，直流驱动系统可以可靠，稳定地工作，满足主题设定的功能和指标要求。关键词：电动汽车；直流充电桩；控制系统目录TOC\o"1-3"\h\u8431绪论 绪论1.1选题来源及意义随着电动汽车的日益普及，直流充电桩作为一种重要的充电设施，其设计和研发显得尤为关键。本文将详细介绍直流充电桩系统的设计，包括其硬件选型、软件设计、系统架构等方面，以期为相关领域的研究和实践提供参考和借鉴。电动汽车作为一种绿色、环保的交通工具，正逐渐取代传统的燃油车成为未来汽车市场的主流。然而，电动汽车的续航能力和充电速度一直是制约其发展的瓶颈。为了满足消费者对快速充电的需求，直流充电桩应运而生。直流充电桩具有充电速度快、效率高等特点，能够在短时间内为电动汽车提供足够的电能，大大提高了电动汽车的使用便利性。在直流充电桩系统设计中，硬件选型是关键环节之一。合理选择充电桩的硬件设备，可以保证充电桩的性能和稳定性。充电桩的硬件主要包括电源模块、充电模块、控制模块、通信模块等。电源模块负责将交流电转换为直流电，为充电模块提供稳定的电源；充电模块则负责将直流电传输到电动汽车的电池中；控制模块负责整个充电过程的监控和控制；通信模块则负责实现充电桩与电动汽车以及充电桩管理系统的通信。软件设计是直流充电桩系统的另一重要组成部分。良好的软件设计可以确保充电桩的安全性、稳定性和易用性。软件设计主要包括用户界面设计、充电控制策略设计、故障处理设计等。用户界面设计应简洁明了，方便用户进行操作；充电控制策略设计应根据电动汽车的电池特性、充电需求等因素制定，以保证充电过程的安全和高效；故障处理设计应能及时发现并处理充电过程中可能出现的故障，以保证充电桩的稳定运行。此外，直流充电桩的系统架构也是设计中需要考虑的重要方面。合理的系统架构可以提高充电桩的可靠性和可扩展性。充电桩的系统架构主要包括硬件架构和软件架构两部分。硬件架构应考虑到充电桩的体积、重量、散热等因素，以保证充电桩在各种环境下都能稳定运行；软件架构应考虑到充电桩的升级、维护等因素，以保证充电桩的可扩展性和易维护性。1.2国内外的发展状况1.2.1国内发展状况早在奥巴马总统时代，美国政府就明确表示，到2015年底，道路上将有100万辆电动汽车，政府将投资4亿美元进行投资和充电基础设施的建设，例如充电桩，充电和更换发电厂。充电站由AmericanSolarCity在加利福尼亚101高速公路上建造，主要由十多个大型DC充电桩组成，并使用太阳能电池板将太阳能转换为电能以进行快速充电。日本相关机构声称，在此阶段，他们已经成功开发了一种快速充电设备，只需半个小时即可充满电，与此同时，您也可以更换电池。日本中央政府还与当地地区和城市建立了低污染车辆使用促进协会（LEVOC），其主要工作是建立基础设施以支持电动汽车的充电功能。同时，不仅政府在推进充电桩的建设，丰田，日产，本田和日本政策投资银行等大型汽车公司联合创建了日本充电服务公司，以积极承担安装充电桩和8年的费用服务。图1-6显示了日本东京商业广场的充电桩。在德国，由于德国电动汽车数量的增加，它大大高于充电基础设施的建设速度。这样，德国联邦政府也增加了对充电基础设施的支持，并有望在新的充电基础设施上投资3.5亿欧元。1.2.2国外发展状况由于过去技术发展的局限性，中国进入电动汽车充电技术的时间要晚于国外，但是由于近年来中国的政治支持以及相关领域的学院，研究所和支持企业的不断增加。通过协作，当前的电动汽车充电技术已经取得成功，辅助充电桩的建设也显示出良好的势头。早在2006年，比亚迪就在深圳成立了电动汽车研究所，并建立了第一个电动汽车充电站。在2008年北京奥运会期间，北京的公共交通系统在一个纯奥运村投资了一系列纯电动公交车，这些公交车使用快速的电池更换作为能源。2009年12月底，南方电网在深圳建立的两个电动汽车充电站以及南方电网在深圳投资的第一批充电桩成功启动[7]。2010年3月，由华北电网建设的大型电动汽车充电站在河北唐山正式启动。为了在不同地区的国家和地方当局的支持下加快电动汽车的推广，创建了基本充电桩，例如电动汽车的充电站和公共充电桩。1.3课题研究的目的与要求1.3.1课题研究的目的提高充电效率：直流充电桩具有较高的充电功率，可以大幅缩短电动汽车的充电时间。课题研究的目的之一是优化直流充电桩的电路设计、控制策略和功率分配，以实现更高的充电效率和更好的用户体验。保证充电安全：充电过程中的安全问题至关重要。课题研究的目的之一是探讨和设计直流充电桩的安全保护机制，包括过压保护、过流保护、短路保护等，以确保充电过程的安全性。1.3.2课题研究的要求技术要求：设计应满足国家或行业的相关标准，如输出电压、电流、功率、效率、安全性等。同时，要考虑充电桩的兼容性，确保能够适配多种电动汽车。功能性要求：充电桩除了基本的充电功能外，还应具备数据通信、计费、远程监控、故障诊断等功能。环境适应性要求：充电桩应能在各种环境条件下稳定工作，包括不同的气候、温度、湿度等。经济性要求：设计应考虑成本效益，确保充电桩的制造成本和运营维护成本在合理范围内。用户友好性要求：充电桩的操作界面应简洁直观，便于用户使用。安全要求：设计必须符合相关的安全标准，包括电气安全、防火安全等，确保人身和车辆安全。维护要求：充电桩应便于维护和检修，设计时要考虑到维护的便捷性。扩展性要求：随着技术的发展和市场需求的变化，充电桩应具有一定的扩展性，能够方便地进行升级和功能扩展。1.4课题主要研究内容及技术指标1.4.1课题主要研究内容系统架构设计：研究直流充电桩的系统架构，包括硬件架构和软件架构。硬件架构涉及充电模块、电源模块、控制模块、通信模块等的设计与选型；软件架构涉及充电控制算法、数据管理、用户界面等的设计。充电模块设计：研究充电模块的工作原理、电路设计、功率器件的选择和应用，以及充电模块的效率优化和热管理。电源模块设计：研究电源模块的电路设计、功率因数校正（PFC）、直流转换（DC-DC）等关键技术，以及电源模块的效率和稳定性。控制模块设计：研究充电桩的控制策略和控制算法，包括充电过程控制、故障检测与处理、通信接口管理等。通信模块设计：研究充电桩与电动汽车、充电站管理系统、用户终端等之间的通信协议和数据传输，以及网络安全和数据保护。1.4.2课题研究的要求符合标准和规范：研究应符合国家和行业的相关标准和规范，如GB/T、IEC等标准，确保充电桩的设计和制造质量。技术创新：在充电模块、电源模块、控制模块等方面，应追求技术创新，提高充电效率、降低成本、减小体积和重量。安全性能：充电桩的设计应充分考虑安全性能，包括电气安全、防火安全、人身安全等方面，确保在各种工况下都能安全运行。环境适应性：充电桩应能在各种环境条件下稳定工作，包括不同的气候、温度、湿度等，具有较好的环境适应性。用户体验：充电桩的操作界面应简洁直观，便于用户使用，提供良好的用户体验。

2直流充电桩控制系统相关概念2.1直流充电桩系统工作原理充电站是指为电动车提供电能的一种充电站。该产品可安装于地上或墙壁上，可为交/直流充电。此外，本装置还应有使用说明，测量及充电的功能。在此基础上，将380V的交流电能通过交流接触器输入到三相仪表中，由直流充电模块对其进行整流、滤波，再由智能控制模块控制，生成直流电源，为电动车的蓄电池充电。此时，通过智能化的控制模块可以对AC接触器的导通和关断功能进行控制。三相电能表是对充电站进行电能计量的装置，主要用于对充电站运行时所消耗的电能进行计量。该系统通过与主控制模块连接，完成对充电设备的数据采集与显示。其中，存储模块主要是为进行后续的查询而对用户的付款信息进行存储。IC卡读卡机是一种新型的电子商务电子商务系统，其主要功能就是实现IC卡电子商务的电子商务。当充电站发生不正常的状况时，警报系统会自动发出警报。图2-1示出了电动车直流充电站的结构示意图。图2-1电动汽车直流充电桩系统结构示意图2.2直流充电桩需求分析随着电动汽车的日益增多，配套充电站也日益引起了人们的重视。直流电池是一种新型的充电设备，其充电速度快，充电效率高，已被广泛地应用于一些行业。为达到电动汽车充电桩智能化、安全性和便利性的目的，通过对电动汽车用户的充电桩的需求进行了研究，并对有关的数据和文档进行了深入的了解，得出了如下的基本功能需求：（1）安全的堆料操作。给车辆充电时，充电桩系统可能会发生各种突然故障。在无法预料的情况下，充电桩系统可能会自动关闭以确保人身安全。（2）充电桩必须可靠地工作，并且充电桩的设备必须具有模块化设计。当电池的充电系统发生局部故障时，它不会影响整个系统的正常运行，从而确保用户可以正常可靠地工作。每个单元的功能性模块化设计还便于将来的维修和保养。（3）由于通常不维修充电桩，因此用户需要自己完成充电操作。良好的人机交互界面和系统的简单性，不仅降低了用户使用的复杂性，而且体现了充电桩的智能系统。（4）记录使用情况信息，存储，查询和统计功能。充电板应能够实时记录，存储和计数用户登录，注销和其他工作信息。同时，用户还可以在充电板上请求基本信息的历史记录，例如充电时间和充电功率。（5）充电桩系统应能够实现梯形装料机构。在不同的时间段采用不同的充电标准，使用户可以根据自己的需求智能分配充电时间，以提供真正的低碳环保。

3直流充电桩控制系统硬件设计3.1控制系统组成概述直流充电桩控制系统的整体思想是通过嵌入式ARM核心处理器，完成对充电桩进行充电管理等相关的工作，并将电池盒的信息和用户在充电过程中的用电信息传送到系统后台。为了便于后台管理人员监测充电桩充电情况。其中，主控单元作为控制系统的核心，对充电桩的运行进行控制，而人机交互单元和读卡器模块则主要负责用户信息的输入，充电桩运行信息的显示，以及计算等。充电等功能：存储模块负责对充电桩的使用信息及操作参数进行保护与存储，mod控制系统的电源为充电桩控制系统的正常工作提供了电力保证，充电模块的作用是为电动汽车电池提供可调的直流电源，专门为电动汽车电池充电：测量模块对充电能量、电流、电压等信息进行采集与测量。以主控制器为核心的实时计费为数据支撑。直流充电桩控制系统的硬件组件如图3-1所示。图3-1控制系统硬件框图3.2主控制单元设计3.2.1主控板芯片选型作为控制系统的主体，直流充电桩的主控制板不仅控制整个充电板的操作，而且还必须将在操作期间收集的数据信息传输到每个功能模块以进行通信和交互。为了确保系统的稳定可靠运行，需要功能强大且经济的处理器芯片。本文主要使用意法半导体公司基于ARMCortex-M3内核的STM32F103系列芯片，具体型号为STM32F103ZET6，其主要特点是：（1）处理器工作速度快，其72MHz的工作频率可完全满足直流充电桩的正常工作运行要求。（2）内置存储器具有大容量，512KB闪存和64KBSRAM，可有效支持在充电桩控制系统中记录大量程序代码以实现充电管理功能。（3）丰富的外围接口，总共112个I/O接口和各种通信接口（包括I2C，SPI，USART，SDIO，USB，CAN总线等接口）可以通过其外部接口连接到充电桩的其他功能模块。（4）该芯片具有大量中断（84）和丰富的可编程优先级（16级）的特性，并且所有触点都可以随时输入为中断源。（5）该芯片具有一个工厂预设的8MHzRC振荡器，一个经过校准的40kHzRC振荡器和一个32kHzRTC振荡器，便于开发人员开发晶体。（6）内置三个12位A/D转换器，最大转换速度为1MHz。同时，该微电路还具有2个用于输入数字信号的数模转换器，包含2个独立的输出通道，并且相互转换互不影响。它可以满足多信号采样的功能要求。3.2.2STM32F103最小系统设计最小直流桩系统包括晶振电路，供电电路，基准信号源，复位电路，起动和起动电路SWDBOOT电路。本系统的主控芯片STM32F103ZET6在2.0~3.6V的工作电压范围内，选用了通常使用的3.3V电源作为电源。为了更好地工作，将8MHz的被动晶体与1M的反馈电阻并联到一起，构成了最小系统主电路的晶振电路。在此基础上，将一块22pF左右的电容并联在一起，使其成为平行谐振腔。在参考源电路中，将两组滤波电容并联于VDDA管脚与3.3V供电电压间，有效地抑制了输入端的高频谐波，增强了控制系统的稳定性。在编写了控制系统的程序之后，需要把程序的代码通过数据线路写到主控板上以供调试。SWD接口具有装置管脚少、装载灵活、易于扩展等特点，尤其是当主机板空间受限时，可通过添加新的功能模块，使工程变得更加简单和经济。可以增加新的功能模块，简化工程，节约成本。图3-2显示了SWD启动原理图。图3-2SWD下载电路STM32F103ZET6的主控制器采用的是低电平的复位方式，所以需要用一个上拉电阻来与复位端相连。当主机启动重新启动时，需要一定的时间来进行初始化工作。在这一点上，复位应该维持在低水平。重置电路是利用了电容器上的电压不会突变的特点。供电一开，电容上得电压立刻降到零。在这一点上，晶片被重置，接着，电源经由上拉电阻器R3给电容器C1充电，直至电容器上的电压达到高电平为止。接着，主控制芯片就会正确地工作。图3-3复位电路STM32有多种启动方式，主要由BOOT电路来控制，具体启动模式如表3-1所示。表3-1STM32BOOT启动模式选择BOOT0BOOT1启动模式说明0×用户闪存启动用户闪存启动，即FLASH启动10系统存储器利用串口1下载程序，从系统存储器启动11SRAM启动SRAM启动，用于在SRAM中调试代码由于主控制系统使用SWD加载程序，因此BOOT0必须设置为低。按照上述选择方法，开发的BOOT启动电路如图3-4所示。其中，BOOT0和BOOT1必须连接到10kΩ降压电阻，因此用户的默认触发模式是闪存启动，当需要更改触发模式时，只需更改拨号代码。图3-4BOOT启动电路原理图3.3控制系统电源电路设计在STM32单片机的整体控制中，各个功能模块的供电电压各不相同。本论文所设计之直流充电站控制系统，需采用三种电压参数，分别为+3.3V、+5V、±12V，其中+5V和±12VB是通过外部开关电源模块来完成的（如图3-5所示）。该开关电源采用220V交流电压，并将其输出信号分成直流+5V、接地、直流+12V、SGND两套。图3-5开关电源模块针对直流充电站的主控芯片、液晶显示控制电路、LED灯条、RF等模块的工作要求，设计了一种5V到3.3V的供电电路，如图3-6所示。采用AMS1117线性稳压器，可在5V到3.3V之间进行电压变换。在AMS1117芯片上各有一个电容，用于高通滤波，减小了系统的纹波，并有效地抑制了AMS1117的自激振荡。为避免因输入电流过大而对主控芯片造成损伤，本设计采用6V1A的自愈熔断器，并在电路内加装滤波电感，抑制高频谐波。在减少能源消耗中扮演角色。图3-6电源电路原理图3.4充电桩连接检测电路设计3.4.1充电接口概述DC充电桩通过将可移动线缆的充电插口与电动车的充电接口相连，实现对蓄电池的充电。为保证电动汽车在充电时的人身和用电设备的安全性，我国相关部门制订并颁布了一系列的充电桩工业标准，其中对直流充电接口的基本要求、结构类型、功能和尺寸的定义和标准参数进行了详细的规定。3.4.2充电握手电路充电时的握手电路，其主要作用是在对电动汽车进行充电时，对充电枪和汽车充电接口进行握手检查。在图3-7中显示了特定的电路图。在STM32将0-3.3VPWM信号输入到CC-CC2网络后，由TLP185与光电耦合器相隔离，然后把它变成-12V到+12V的PWM波，再由LM2903运放比较器输出+12V，从而实现对PNP的控制；此外，由于存在一种NPN型晶体管，所以一次仅能导通一个晶体管。这样，输出为±12V脉宽调制波形，经过CC2网络。该LM224比较器从外界对CC1网络进行外部PWM信号的控制，从而对TLP185光电耦合器进行控制，该光电耦合器将±12VPWM输出变换成0~3.3V的PWM，并通过CC-A1网络与STM32的采集终端相连。捕获脉冲宽度调制信号。图3-7握手电路之PWM捕获3.5存储模块设计由于直流驱动器工作在持续工作状态下，数据只存在于微处理器（MicrocontrollerROM,MCU）中，因此，该驱动器的存储器模块使用了外置存储器模块。这样就失去了历史数据；另外，采用外置存储模块，实现了充电过程中的实时状态信息的保存，保证了充电系统在停电后重新供电后仍能正常工作。在本论文中，我们使用的是RamtronFM31256记忆体芯片。本设计使用14管脚SOIC封装，利用3.3V外接电源驱动铁电晶片。该芯片采用I2C通讯方式，使得读取、写入等对存储器模块进行控制，均采用I2C总线协议。图3-8显示了内存模块的特定布局。图3-8FM31256铁电存储电路原理图该电路采用10K欧姆的上拉阻抗，将SDA（SDA）、时钟线SCL（SCL）与VCC3.3V（3.3V）相连，以增强数据线的抗EMI性能。同时，该芯片周边采用32768KHz的时钟信号，可以输出1赫兹的数字、时间、日期等各种时钟信号。此外，在VBAK与VSS间还设有一块备用电池，可使记忆体晶片在关机后仍能保持即时时钟，以保证记忆体的重要资讯不会遗失。3.6充电模块的选择与设计直流充电模组实质上就是一种充电电源，它的基本作用就是把来自外界的三相交流电转化成整流的直流电，再通过整流-反相整流后，再由蓄电池供电。图3-9所示为电动车充电模组的原理图。首先，在第一阶段，利用维也纳PFC技术，将交流电源整流成直流，再经逆变电路转化成高频交流电，以改善充电电流品质。经过交流电转换成直流电之后，可以用来给电动车的蓄电池充电。图3-9电动汽车充电模块结构示意图本课题选择了郑州神米智能电气技术有限公司生产的YMT15K-30500型直流输出和充电组件，见图3~10。本发明提供了一种新型的充电控制方式，具有较高的功率因子、较高的工作稳定性和较高的充电效率。该装置还具备稳压限流，输入过电压及欠电压保护，短路保护，输出过电压保护，过热保护，报警显示等多种功能。在表3-2中列出了充电组件的主要技术参数。图3-10充电模块实物图表3-2YMT15K-30500充电模块的主要技术参数名称参数输入电压AC（380±20%）V频率47～63Hz功率因数≥0.99纹波系数≤0.5%稳流精度≤1.0%稳压精度≤0.5%最大输出功率15kW输出电压DC（200～500）V最大输出电流30AYMT15K-30500充电模块的输出电压和直流电流主要由主控制单元进行调节和监控，CAN总线协议命令消息传输方法用于交互数据交换。CAN通信接口的具体布局如下图3-11所示。图3-11CAN总线通信接口原理图在本系统中，以TJA1050为收发模块，完成了CAN总线的设计。它的主要优点是高速（1Mbps)，电磁辐射小，抗EMI性能好。采用CAN总线作为主控装置与充电装置的通讯方式，为了保证信息的可靠与稳定，将数据的传送速度设置在125Kbps。该电路以5V电压提供电源，并将120欧姆的匹配电阻器与TJA1050收发信机芯片的差分讯号CANH与CANL相连。3.7交易结算模块的选择与设计交易运算模块是一种基于RFID技术的电子商务系统，它是一种基于RFID技术的电子商务系统。在本论文中，以RFID-RC500型为读取装置，以MIFARE1S50IC卡（M1）为电子标签，进行结算运算。因为该射频模块采用5V的工作电压和单片的串口进行通讯，而主控装置的主控芯片STM32F103的操作电压是3.3V，所以采用了一种高速光电耦合片HCPL0601来对电压进行变换。310欧姆的电阻被连接到外部。输入/输出端采用一个上拉电阻器，以避免其它信号电平干扰正常的数据传送，输入输出端在缺省状态下被设为"1"。下面的图3-12显示了射频模块的接口电路。图3-12交易结算模块射频接口电路原理图3.8人机交互模块的选择与设计3.8.1LCD液晶显示模块本论文以深圳市拓普科技股份有限公司生产的LCD模组LM240128C做为人机交互充电站的互动显示模组LM240128C，并以LM240128C做为人机交互充电站的互动显示模组。LCD屏幕为5.1英寸，使用了240x128的矩阵模块，可以显示各类文本和图像，给用户带来了一个更直观、更便捷的显示接口。LCD模块具有18个输入/输出接口，每一个输入/输出接口的作用如表3-3所示。表3-3LM240128C液晶显示模块端口定义端口号123-678-15161718使用定义GNDVCC控制位RST数据口背光空GND由于LCD模块的工作电压为5V，而STM32主控制芯片的端口电压仅为3.3V，因此LCD无法正常工作。因此，本文将具有三态输出的74HC4050D六相缓冲转换器和74LVC4245A8位总线收发器用作LCD驱动器芯片，以确保LCD正常工作。在控制显示器的背光时，请使用IO端口控制PNP晶体管以控制LCD的背光。下面的图3-13给出了用于控制LCD的具体电路图。图3-13LM240128C液晶驱动原理图3.8.2矩阵键盘输入模块因为LCD只是提供了一个接口显示，并没有给使用者及管理员提供一个输入资料和查询的方法，所以，为了方便使用者与收费员的管理，并让使用者能够更好地进行人机互动，所以我们使用了矩阵键盘做为输入装置。由于计费人员在夜间值班，所以在使用过程中，使用者往往看不到键盘上的按键，造成了一些不便。所以，我们选用了带有背光的矩阵键盘。图3-14带背光LED的矩阵键盘接口原理图3.8.3LED指示灯带和蜂鸣器电路在充电站外壳的上方，装有一根由各种颜色构成的亮的LED指示条，以方便地显示系统的状况，并让使用者能够在充电站的工作期间，随时掌握充电状态的指示信息。另外，该单片机还将4个单片输入/输出接口，用来显示充电站的工作状态，3个是LED指示灯，用来显示充电站前端的电源、工作及故障情况，另外一个用来安装。在主控制面板上，作为一个系统操作手册。全部发光二极管都是通过电流来控制的，所以发光二极管的照明性能得到了很大的提升。图3-15所示为充电站工作状态指示器的界面定义，以及系统指示器运动的线路图。图3-15直流充电桩运行状态LED灯带接口与系统运行指示灯原理图当使用时，当充电板发生故障时，蜂鸣器会提醒使用者充电板有问题，需要进行检修。在图3~16的蜂音器电路中，采用主动蜂音器，其工作电压为3.3V。与被动式蜂音器相比，其驱动方式更为简单。低的输出会导致蜂鸣器失灵。图3-16蜂鸣器电路原理图

4直流充电桩控制系统软件设计4.1软件平台的搭建直流充电桩控制系统是一个重要的组成部分，它的软件功能是监测并管理各种硬件资源，包括充电时的计费、与各个外设模块的通讯、人机界面的交互以及充电等。在此基础上，利用Keil公司的KeiluVision5软件，设计了基于嵌入式操作系统的嵌入式操作系统，并在此基础上设计了基于嵌入式操作系统的嵌入式操作系统。为了便于以后的维修与完善，本论文提出了一种模块化的设计方法。与采用51种可直接配置的MCU组态寄存器不同，STM32系列微处理器的设计与开发采用的是意法公司所提供的一些功能性接口。这些功能性界面被称作应用程式设计介面（applicationprogramminginterface,API）。通过该函数接口，开发者可以对STM32寄存器进行配置。此方法也被称作图书馆功能开发。该软件开发迅速，维护费用低廉，便于用户阅读。在这一章中，大部分的程序都是使用了类库功能来写并发展的。在图4-1中显示了库设计和直接配置寄存器之间的差异。图4-1开发方式对比图因为MDK开发工具能够支援基于Cortex-M,Cortex-R4,ARM7,ARM9等核心的微处理器。利用KeilMDK开发工具，利用J-LINK下载模拟器，可以实现对该软件的在线模拟与下载，从而极大地简化了程序的设计、开发与调试。4.2总体工作流程设计由于本论文所编写的直流记忆体程序无操作系统，所以其基本架构基本上是以主循环与中断方式并行进行。主循环是一种无限回路，在连续查询中，主循环在满足一定条件后，完成对应的子循环或对相关事件进行处理。中断服务程序负责对收发数据进行通讯，并对输入端的交换机数目进行检测。当发现有错误时，对应的错误标记将被改变，随后的过程仍然是主循环。主要分为充电握手、用户配置、充电开始、充电结束四个阶段，每一阶段都可以实现不同的功能需求。首先，在充电站启动后，系统将进行初始化，并进行自检，以判断各个功能模块的连接情况。在程序进入待机状态时，使用者的手指划过地图，就可以自己选择自己的充电模式，而系统则会按照不同的模式进行相应的操作。当客户完成费用核算后，将重新进入备用周期运行。本课题拟通过研究两种充电模式，分别研究两种充电模式，以降低充电对电网的冲击，并以此为基础实现对用户的经济节约。客户可以根据自己的要求，自行设计一套可以随时进行充电的装置，也可以在规定的时间内预约充电。该充电站可以实现电动充电、总充电、定时充电以及预充电四种充电方式。用户可以根据自己的需要任意选择充电方式。在本文中，当使用者设定好充电模式之后，充电桩将预先扣除对应的充电量，当扣完后，使用者可将IC卡取下，这时直流充电桩便会启动对电动车进行充电。在充电的过程中，使用者若要中断，只需再次读取卡片即可，然后读取卡片上的电量，再进行计费。收费结束后，由收费人员退回多扣的手续费，并将详细的交易情况传送至后台的控制系统中，并做好记录。上述为电动车在一般条件下完成充电作业的工作流程，使用者亦可藉由刷卡开启新的充电流程。4.3连接检测子程序设计在对电动车进行充电之前，充电站必须先保证充电线的可靠连接。在使用过程中，应根据GB/T20234-2015国家标准中对充电枪进行测试。按照第三章所述的接线方式，充电接线电路需要生成脉宽调制脉冲。采用STM32F103ZET6作为主控芯片，实现了PWM的输出方式。主控板发出的定频脉宽调制信号，通过STM32单片机的计时器对其进行检测。如果收到的信号是正确的，那么就可以对蓄电池进行充电。电池组与电动车的充电插口充分相连。定时器计数器STM32的值从0开始增加。当输出比较寄存器中的值等于它时，输出信号反转，当定时器继续计数到与自动复位寄存器相同的值时，输出信号反转并且计数器复位。根据各种寄存器值的设置，您可以接收一个PWM信号，该信号的频率和占空比可以自由设置。在本文中，定时器3用于输出PWM波，输出I/O端口为PB0和PB1，它们对应于TIM3定时器的通道CH3和CH4。具体配置步骤如下：（1）使能定时器3和GPIOB时钟；（2）初始化IO口为复用功能，开启AFIO复用时钟；（3）初始化定时器和输出比较寄存器参数，使能定时器。STM32定时器PWM输出部分程序如下：voidDC_PwmInit(void){RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);//使能定时器3外设时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);//使能GPIOB外设时钟TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseStructure);//根据指定的参数初始化TIM3TIM_OC3Init(TIM3,&TIM_OCInitStructure);//使能通道3TIM_OC3PreloadConfig(TIM3,TIM_OCPreload_Enable);//CH3预装载使能TIM_OC4Init(TIM3,&TIM_OCInitStructure);//使能通道4TIM_OC4PreloadConfig(TIM3,TIM_OCPreload_Enable);//CH4预装载使能TIM_ARRPreloadConfig(TIM3,ENABLE);//使能TIM3在ARR上的预装载寄存器TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);//使能TIM3}在PWM定时器TIM3的基础上，利用定时器4、8对PWM波形进行捕获，从而完成PWM波形的工作周期检测。而STM32所提供的探测方式是一种特殊的计时器方式，当采集通道在相同的输入、输出两端被顺序地显示，边缘值被设为有效值时，其极性正好相反。在这篇文章中，我们的设计是把捕捉信道2作为触发器输入，把从寄存器设定为重置。在脉冲宽度调制循环启动时，将脉冲宽度调制信号的上升边缘作为捕捉信道2的重置信号，从而使计数器启动计数。类似地，当PWM信号降低时，捕捉信道1开始，由此固定PWM工作循环的值。在下一循环中，采集信道2会在脉宽调制信号的上升边缘重新被触发，脉冲宽度调制信号被捕获，计时器被重置。4.4电表通信子程序设计由于为充电桩选择的三相电表主要通过通讯协议DL/T645-1997（简称协议97）与阅读器相连接。在通信期间，每个字节包含一个起始位，一个8位二进制代码，一个偶校验位和一个停止位，指定的字节格式如图4-2所示。图4-2DL/T645协议传输字节格式该协议采用数据帧的形式来传输数据，发送时先传低位，后传高位，其数据帧格式如表4-1所示。表4-1DL/T645协议传送数据帧格式帧起始符地址域帧起始符控制码数据域长度数据域校验码结束符68HA0～A568HCLDATACS16H遵循DL/T645-1997通信协议并使用RS485通信方法，三相电表可以在充电过程中有效地收集电压，电流和能量等数据。在打开主控制板后，初始化相应的串行端口后，微处理器将命令帧发送到计数器，在功率计接收到命令帧后，将根据通信协议对检测到的电流，电压，功率和其他数据进行代码转换。然后以响应帧的形式响应微处理器。解码后，微处理器将相应的数据信息存储在指定的寄存器中。电表通信程序的具体流程如下图4-3所示。图4-3电能表通信程序流程图在开发计数器通信程序时，本文使用STM32中的异步通信端口USART1向485计数器接口发送请求命令。计数器收到请求命令后，将诸如瞬时电流，瞬时电压和有功电能之类的参数返回给STM32主控制单元。用于随后的数据存储以及会计和计算。设置异步串行通信端口时，请将时钟频率设置为36MHz，并将传输速度设置为2400bps。具体的配置过程分为以下步骤：（1）串口时钟使能，GPIO时钟使能；（2）串口参数初始化，GPIO端口设置；（3）开启中断，并分配中断优先级，使能串口。主控单元获取电表参数信息的部分程序如下：voidget_meter_val(void)//获取电表参数{Transmitter_Control();//串口工作控制if(TransmitterRcv485Data.flag)//接收485串口数据{//处理接收到的信息Transmitter_DisposeRespondPackage(&TransmitterRcv485Data);//处理完数据后清空接收缓冲区memset(&TransmitterRcv485Data,0,sizeof(TransmitterRcv485Data));}}4.5RFID交易结算子程序设计电动汽车充电后，用户需要通过刷卡完成充电计算服务。本文档开发的计费交易计算方案主要由IC智能卡，射频读写模块和主控单元组成，主STM32控制单元通过串口与射频读写模块通信，并向其发送各种数据，读取卡的命令、书写卡及其他相关操作。其中，与RF500RF读取器模块一起使用的MIFARE1S50非接触式IC卡（简称M1卡）包含EEPROM存储器，该存储器可分为16个扇区，每个扇区可分为3个数据块和1个控制单元，每个块具有16个字节的容量。在本文的实际开发中，M1卡基本上存储了IC卡号，密码和用户消费信息等。同意在扇区1中使用数据块4和5来存储上述数据信息，数据块6作为备份区域，而块7控制保存访问控制的密钥和位，并使用密钥A和密钥B共同检查卡上信息传输的安全性。STM32微处理器采用RS232串行通讯模式对MFRC500RF模块进行读写，并在RF卡M1与读写模块间进行信息传递，从而完成对每一次下载记账事务的计算。在图4-4中显示了录制模块的通讯方式。在这个例子中，重置应答链接是指在读取器-写入器的操作区域中，读取器-写入器会按照一定的协议与它进行通讯，判断它是不是M1射频卡，也就是检验卡片的种类。在读取器-写入器模块的工作区域中存在多个卡片时，可以使用一种避免冲突的方法来进行操作，而没有被选择的卡片将会在等待下一步的操作。卡片选择操作就是选取所选卡的序号，并传回卡片编号。当选择好的卡片被装载后，射频读出器需要识别扇区编号，并经过扇区代码校验和三重互校验后，才可以对数据信息进行处理，其中包括对数据块的采样与记录，对特定的数值进行加减，并将数据内容以区块的方式进行存储和传送。当这些步骤都做完之后，就会进入最后一步，然后再进行下一步的读取和写入。图4-4IC射频卡与RC500读写模块通讯流程图下图4-5为IC卡读/写数据程序流程图，初次使用卡时，用户将卡中存储的卡号，卡号，密码，充电操作和其他信息读入主控制单元的微处理器中，以执行检查应计组用户密码和在卡上请求信息的功能。充电完成后，再次触摸卡即可扣除实际费用，并在卡上记录消费信息，IC卡上记录的内容还包括消费后余额和近期消费记录等信息。调用用于从IC卡读取数据的程序后，充电桩控制系统开始初始化RC50