引言

隨著國務(wù)院《關(guān)于印發(fā)節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012一2020年)的通知》(國發(fā)(2012)22號)的印發(fā),以及全國各地由于傳統(tǒng)汽車造成的空氣污染愈發(fā)嚴(yán)重,新能源汽車尤其是電動汽車產(chǎn)業(yè)會更加快速地發(fā)展,而電動汽車充電設(shè)施是電動汽車產(chǎn)業(yè)推廣的前提和基石,完善、高效的能源供給網(wǎng)絡(luò)是電動汽車普及的關(guān)鍵因素。充電樁靈活分布,具有體積小、安裝方便、性價比高,并且可以直接接入220V低壓電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn),可以方便地放置在街道、居民區(qū)、工作區(qū)等停車場所。充電樁管理控制系統(tǒng)可分為網(wǎng)絡(luò)控制后臺和充電樁控制系統(tǒng)兩部分。網(wǎng)絡(luò)控制后臺常用于對接支付寶、微信和銀聯(lián)等支付平臺。充電樁控制系統(tǒng)通常具備充電控制、汽車安全監(jiān)測、打印支付信息、射頻讀卡、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和人機(jī)交互等功能。然而,充電樁多以集群的方式設(shè)計(jì),充電區(qū)域內(nèi)常常會集中設(shè)置多個充電樁。如果按傳統(tǒng)方式每個充電樁配備打印機(jī)、射頻讀卡器、以太網(wǎng)和人機(jī)交互模塊,充電樁的設(shè)備成本和維護(hù)成本就會大大提高。因此,可將充電樁可共用的模塊進(jìn)行分離,設(shè)計(jì)成充電樁集中控制器,并集成打印、射頻讀卡、網(wǎng)絡(luò)、觸摸屏等功能,可以極大地降低成本。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

充電樁集中控制器以K60N512單片機(jī)為控制核心,設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)模塊、存儲模塊、電能質(zhì)量監(jiān)測模塊、RFID(RadiOFrequencyIdentificatiOn)模塊、短信模塊、人機(jī)交互模塊等。集中控制器通過485總線可以輪詢多個充電樁單元,也可以查詢電能質(zhì)量監(jiān)測模塊上的實(shí)時電流、實(shí)時電壓和實(shí)時告警等信息。用戶在人機(jī)交互界面選擇充電樁,接著通過RFID模塊或者人機(jī)交互界面中的支付二維碼實(shí)現(xiàn)支付,集中控制器收到支付信息后轉(zhuǎn)發(fā)控制指令給充電樁單元,充電樁單元收到指令后執(zhí)行充電功能。

2控制器

K60N512芯片是KineitS系列中集成度最高的芯片,其特性如下:ARMCOrtex]M4內(nèi)核,主頻高達(dá)100MHz:32路DMA供外設(shè)和存儲器使用,大大提高CPU利用率:10種低功耗模式,包括運(yùn)行、等待、停止和斷電等:512KF1aSh和128KSRAM:集成硬件和軟件看門狗,硬件加密電路和CRC電路:33路單路和4路差分的16位AD轉(zhuǎn)換,2路12位DA轉(zhuǎn)換:SD卡主機(jī)控制器,6路UART,IIC,IIS,SPI,CAN:USB2.0全速和高速接口,支持OTG:IEEE1588以太網(wǎng)接口,支持MII和RMII通信:工作電壓1.71~3.6V,工作溫度]40~105℃:多達(dá)100路GPIO引腳,同時兼容5V電平。該微控器具有片上資源豐富、功耗低、引腳多等優(yōu)點(diǎn)。

3模塊設(shè)計(jì)

3.1以太網(wǎng)模塊

以太網(wǎng)模塊采用W5100模塊。W5100模塊是韓國WIZnet公司生產(chǎn)的一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片,內(nèi)部集成有10/100以太網(wǎng)控制器,主要應(yīng)用于高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式系統(tǒng)中。其內(nèi)部集成了全硬件的TCP/IP全硬件協(xié)議棧,因此使用該芯片不用考慮操作系統(tǒng)和以太網(wǎng)控制,只需進(jìn)行簡單的套接字編程就可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用SPI總線接口。W5100的SPI使能信號SPIEN接一個10K上拉電阻到高電平,同時SCS、SC一K、MOSI、MISO分別連接K60的SPI0模塊對應(yīng)引腳,實(shí)現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)讀寫和命令碼的傳輸。

3.2存儲模塊

W25L128是華邦公司推出的大容量SPIF一ASH產(chǎn)品,容量為128MOit,即16M。該芯片將16M空間分為256塊,每塊64KB,每塊又分為16個扇區(qū),每個扇區(qū)4KB。SPIF一ASH劃分為多個應(yīng)用區(qū)域,分為系統(tǒng)參數(shù)區(qū)、充電記錄區(qū)和系統(tǒng)日志記錄區(qū)等。系統(tǒng)參數(shù)區(qū)用于存放系統(tǒng)控制后臺的IP地址和端口號、電能質(zhì)量監(jiān)測模塊訪問時間間隔和各個充電樁單元地址等:充電記錄區(qū)用于存放每次充電的支付金額、充電時長、充電所耗的電能、充電時最大電流等:系統(tǒng)日志記錄區(qū)用于存放過壓報警、欠壓報警、過流報警、系統(tǒng)升級記錄等。

3.3電能質(zhì)量監(jiān)測模塊

電能質(zhì)量監(jiān)測模塊采用了三星醫(yī)療電氣的DDSK188單相電子式費(fèi)控電能表,具有電能計(jì)量功能以及欠壓事件、過壓事件、過流事件等異常告警功能,通過485總線與K60控制器連接,通信協(xié)議采用《D一/T645一2007多功能電能表通信協(xié)議》。K60控制器通過485總線與電能表進(jìn)行通信,讀取智能電表的電能計(jì)量信息和事件信息并對其進(jìn)行處理。

3.4RFlD模塊

RFID模塊采用復(fù)旦微電子股份有限公司生產(chǎn)的FM1702S一芯片。FM1702S一是基于ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸讀卡機(jī)專用芯片。該芯片采用的是0b6u.CMOSEEPROM工藝制造,可支持ISO14443tymeA協(xié)議和MIFARE標(biāo)準(zhǔn)的加密算法[5]。芯片內(nèi)部集成了模擬調(diào)制解調(diào)電路,因而只需搭接最少量的外圍電路就可以工作。FM1702S一芯片支持SPI接口,其數(shù)字電路具有TT一和CMOS兩種電壓工作模式。系統(tǒng)采用IO模擬SPI的方式與FM1702S一芯片進(jìn)行通信。

3.5短信模塊

GPRS模塊選用SIMC0M公司的SIM900GSM/GPRS模塊,該模塊性能穩(wěn)定,體積小,可以發(fā)送SMS短信。該模塊是單電源供電,電壓范圍3.2~4.8v,推薦電壓為4V,采用RS-232與K60控制器連接。短信模塊主要用于發(fā)送支付信息、RFID卡剩余金額提醒、充電完成消息和報警信息等。

3.6人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊由觸摸屏、熱敏打印機(jī)和按鍵組成。觸摸屏采用800×480分辨率的7寸電阻屏。觸摸屏顯示驅(qū)動控制器采用SSd1963,采用16位數(shù)據(jù)模式,與K60控制器通過FLExBUS總線的形式連接。觸摸屏觸摸控制器采用ASS7846,是一種4線阻性觸摸屏控制芯片,與K60控制器通過SPI1連接。熱敏打印機(jī)模塊選擇FTP-628型號的打印機(jī),該打印機(jī)實(shí)質(zhì)上為一種嵌入式設(shè)備,包括核心控制器、通信模塊、電源模塊、熱敏打印頭及驅(qū)動模塊。打印機(jī)與K60控制器通過RS232連接。

4結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的以K60控制器為核心的充電樁集中控制器,將傳統(tǒng)的充電樁打印、射頻讀卡、網(wǎng)絡(luò)、觸摸屏等功能進(jìn)行分離,單獨(dú)統(tǒng)一設(shè)計(jì)成集中控制器,在街道、居民區(qū)、工作區(qū)等停車場,只需安裝一臺或者幾臺集中控制器就可以滿足整個區(qū)域的付費(fèi)、打印和網(wǎng)絡(luò)需求,大大節(jié)省了設(shè)備、安裝和維護(hù)成本,對充電樁的研發(fā)具有一定的參考意義。