基于ARM的快速充電機(jī)監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)新能源技術(shù)的大力扶持，電動(dòng)汽車逐漸成為國(guó)家在新能源汽車產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展的對(duì)象，而電動(dòng)汽車充電站、快速充電機(jī)是電動(dòng)汽車大規(guī)?；蟛豢苫蛉钡姆?wù)基礎(chǔ)設(shè)施之一。大量分布于各住宅小區(qū)、停車場(chǎng)的電動(dòng)汽車用非車載智能快速充電機(jī)，實(shí)現(xiàn)高效、安全、智能化的管理必定成為主流。針對(duì)目前快速充電機(jī)群實(shí)行無人值守的運(yùn)行情況，這就要求快速充電機(jī)須具有較高的可靠性和自動(dòng)化程度，功能更加完善，可遠(yuǎn)程維護(hù)等功能。

這樣，使得分布式、模塊化、智能化成為快速充電機(jī)的發(fā)展方向，而高性能、低成本的充電機(jī)監(jiān)控終端是其中的關(guān)鍵技術(shù)。為管理區(qū)域多臺(tái)充電機(jī)的資源優(yōu)化利用與管理的智能化，監(jiān)控終端與Internet網(wǎng)的交互成為一種必然。

1 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的整體方案

如圖1的充電機(jī)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖所示，監(jiān)控終端作為充電機(jī)與監(jiān)控中心之間的一個(gè)重要網(wǎng)關(guān)。其有效的通信鏈路有：監(jiān)控中心-監(jiān)控終端;監(jiān)控終端-充電機(jī)(或電池管理系統(tǒng)(BMS)、電動(dòng)汽車等)。

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通過監(jiān)控終端作為媒介，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控中心與充電機(jī)及電動(dòng)汽車的通信鏈路的建立。終端通過CAN網(wǎng)絡(luò)與充電機(jī)、BMS及電動(dòng)汽車等相互通信，采集相關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息并存儲(chǔ)，并將相關(guān)信息反饋給充電機(jī)。充電機(jī)根據(jù)相關(guān)信息從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電池的智能充電。終端與監(jiān)控中心之間是通過GPRS連接通信，終端將充電機(jī)、電池、電動(dòng)汽車等相關(guān)數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)充電機(jī)的遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，記錄充電機(jī)的運(yùn)行及故障情況。車主可以由監(jiān)控中心查詢了解當(dāng)前空閑的充電機(jī)位置，實(shí)現(xiàn)資源充分利用。

2 監(jiān)控終端功能模塊

2.1 監(jiān)控終端的總體設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端是連接監(jiān)控中心與充電機(jī)的橋梁。其總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，監(jiān)控終端主要由Cortex-M3 內(nèi)核的STM32ZGT6 的核心模塊、數(shù)據(jù)采集模塊(CAN 網(wǎng)絡(luò))、用戶計(jì)費(fèi)交互信息模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊和GPRS通信模塊6個(gè)部分所組成。終端采用Co-tex-M3內(nèi)核的STM32ZGT6微處理器芯片。該單片機(jī)具有豐富的片上硬件資源，內(nèi)含CAN 2.0B的控制器，以及多達(dá)4 個(gè)串口，滿足終端CAN 與GPRS 網(wǎng)絡(luò)接口的需求。

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監(jiān)控終端的工作流程如下：用戶計(jì)費(fèi)模塊讀取用戶信息以及選擇充電模式，通過CAN 網(wǎng)絡(luò)向充電模塊發(fā)送相應(yīng)充電命令;同時(shí)監(jiān)控終端讀取CAN 網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)幀如充電機(jī)的運(yùn)行狀況等，并將數(shù)據(jù)保存于NandFlash中。

定時(shí)將當(dāng)前充電用戶信息和充電機(jī)等運(yùn)行參數(shù)通過GPRS 發(fā)送到監(jiān)控中心。監(jiān)控終端可以根據(jù)用戶的需要，打印用戶的余額或收費(fèi)憑據(jù)等。

2.2 CAN總線模塊

為了更好地保證CAN 總線可靠的傳輸，系統(tǒng)定義了一套通用的應(yīng)用層的CAN 總線協(xié)議。主要針對(duì)CAN 2.0B協(xié)議的報(bào)文ID進(jìn)行了分配及定義。

如表1 所示。

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(1)優(yōu)先級(jí)確定。CAN協(xié)議規(guī)定報(bào)文ID越小，其報(bào)文的優(yōu)先級(jí)越高。在競(jìng)爭(zhēng)總線時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文優(yōu)先發(fā)送，優(yōu)先級(jí)低的退出總線競(jìng)爭(zhēng)。CAN 總線競(jìng)爭(zhēng)的算法效率很高，是一種非破壞性競(jìng)爭(zhēng)[3].因CAN協(xié)議規(guī)定標(biāo)識(shí)符由高至低，前7位不能全為顯性位。所以優(yōu)先級(jí)1111b保留，故系統(tǒng)具有15級(jí)優(yōu)先級(jí)別。

(2)類型碼。協(xié)議將ID24~ID22 規(guī)定消息的類型。

在本系統(tǒng)中，用到的消息類型主要有：控制、狀態(tài)、測(cè)量、警告和廣播5 種類型。根據(jù)將類型碼的具體分配如表2所示。

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(3)源地址。協(xié)議規(guī)定ID12~ID16 為源地址，ID17~ID21為目標(biāo)地址，進(jìn)而標(biāo)識(shí)報(bào)文的各接收節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)。5位地址位，保留11111b為廣播地址，可以確定31個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，可滿足電動(dòng)汽車充電機(jī)的監(jiān)控需求。在此系統(tǒng)中，定義00000b為監(jiān)控終端，00001b為充電機(jī)節(jié)點(diǎn)，00010b為電池管理系統(tǒng)(BMS)節(jié)點(diǎn)。

(4)分段碼。因不同的節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的數(shù)據(jù)量不同，可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)幀不能把從底層采集到的數(shù)據(jù)一次性發(fā)送完畢(即超過8 個(gè)字節(jié)的情況)。協(xié)議中將ID11~ID4定義為分段碼，如表3所示。

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在表3 中，某節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀由分段碼00H 開始，由FFH結(jié)束，最大可支持發(fā)送256×8字節(jié)的數(shù)據(jù)。若該節(jié)點(diǎn)只有一幀數(shù)據(jù)，定義FFH同時(shí)也為單幀數(shù)據(jù)。

例如，BMS節(jié)點(diǎn)，包含了電池組總電壓、電池組總電流、電池組SoC、電池組各個(gè)箱體(9個(gè))的溫度以及電池組狀態(tài)的信息等。每個(gè)數(shù)據(jù)占用2 B.顯然一個(gè)數(shù)據(jù)幀是無法發(fā)送該節(jié)點(diǎn)的全部信息，故須采用多幀方式發(fā)送。

2.3 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

終端是通過串口外接周立功GPRS 模塊(ZWG-23A)連接到互聯(lián)網(wǎng)。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上網(wǎng)，連接到服務(wù)器之后，按照通信協(xié)議定時(shí)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)《深圳市電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)文件，協(xié)議由報(bào)文起始標(biāo)識(shí)、版本號(hào)、命令字、報(bào)文長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)內(nèi)容、校檢碼等組成的，其具體格式如表4 所示。

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(1)起始標(biāo)識(shí)。設(shè)為0xFAF5,用于喚醒接收方準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。

(2)報(bào)文長(zhǎng)度。是由[發(fā)送序列號(hào)]到[數(shù)據(jù)內(nèi)容]的總長(zhǎng)度。

(3)校驗(yàn)碼。是從[起始標(biāo)識(shí)]到[數(shù)據(jù)內(nèi)容]的無進(jìn)位累加和。

(4)接收(發(fā)送)方類型與地址。監(jiān)控中心為類型為“業(yè)務(wù)服務(wù)平臺(tái)”,其數(shù)值為1,其地址為在此類型碼下的某一個(gè)惟一地址;終端的類型為“調(diào)度終端”,其數(shù)值為255,地址為此類型下的某一個(gè)惟一地址。

(5)數(shù)據(jù)內(nèi)容與命令字：不同的命令字決定該報(bào)文所攜帶的數(shù)據(jù)的內(nèi)容的構(gòu)成及所占用的字節(jié)數(shù)。