基于nRF24L01的電動汽車無線充電控制系統(tǒng)設(shè)計*

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(鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，鹽城 224051)

引 言

圖1 電動汽車電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨著電動汽車的普及與推廣，對電動汽車充電方式的多樣化和便利性要求越來越高。目前各國電動汽車的充電主要以充電站、充電樁或換電池的模式為主，而電池充電站建設(shè)所需的位置、土地和成本成為制約電動汽車發(fā)展的最大瓶頸。無線電能傳輸技術(shù)(Wireless Power Transmission，WPT)作為一項新興技術(shù)，目前已經(jīng)商業(yè)化運作，基于無線電能傳輸?shù)碾妱悠嚦潆姺绞揭渤蔀楦鞔笃噺S商及科研機(jī)構(gòu)的研究熱點。與有線充電站等接觸式充電方式相比，無線充電方式可以解決火花、積塵、接觸損耗及機(jī)械磨損等一系列問題，同時可以實現(xiàn)停車位自動充電和移動供電。隨著WPT技術(shù)的成熟，電動汽車將是無線充電設(shè)備領(lǐng)域中最具潛力的市場[1-5]。

1 電動汽車無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動汽車無線充電系統(tǒng)的核心部件為非接觸式電能傳輸系統(tǒng)，電磁感應(yīng)式無線傳輸是利用感應(yīng)線圈之間的交變電磁場進(jìn)行的非接觸式電能傳輸，是一種傳輸功率與效率較高，且最易實現(xiàn)的非接觸式電能傳輸方式，也是現(xiàn)階段研究和發(fā)展的重點方向。

電動汽車電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。無線充電系統(tǒng)在物理結(jié)構(gòu)上分為地面充電樁和車載充電器兩部分，地面充電樁和車載充電器兩部分之間通過松耦合變壓器的交變磁場實現(xiàn)電能無線傳輸，給電動汽車蓄電池充電。車載電池的充電信息通過無線射頻傳輸方式發(fā)送到地面充電樁中，由地面充電樁控制充電的進(jìn)程。

針對無線充電系統(tǒng)中控制信息的非接觸式傳輸問題，本文利用無線通信芯片nRF24L01設(shè)計了無線傳輸電路，完成車載充電器與地面充電樁之間的控制信息無線傳輸。

2 無線充電控制系統(tǒng)組成及電路設(shè)計

2.1 無線充電控制系統(tǒng)組成

無線充電控制系統(tǒng)包括車載發(fā)送模塊和地面充電樁接收模塊，車載發(fā)送模塊檢測充電狀態(tài)的變化并實時發(fā)送給地面充電樁接收模塊，系統(tǒng)框圖如圖2所示，圖2(a)為車載發(fā)送模塊框圖，圖2(b)為地面充電樁接收模塊框圖。

圖2 無線充電控制系統(tǒng)框圖

車載發(fā)送模塊采用STC單片機(jī)(STC Microcontroller)為控制核心，包括主控制器(Main controller)、無線收發(fā)器(Wireless receiver and transmitter)、電壓檢測器(Voltage detector)和顯示器(Monitor)4個單元。檢測器將檢測到的信息送入主控制器中，經(jīng)過單片機(jī)處理，在LCD顯示器上實時顯示出來。主控制器還控制無線收發(fā)模塊不斷地發(fā)出車載充電器上的信息，以便地面充電樁接收。地面充電樁接收模塊仍采用STC單片機(jī)為控制核心，包括主控制器、無線收發(fā)器、顯示器和輸出4個單元。主控制器讀取無線收發(fā)器上接收到的數(shù)據(jù)，同樣送給LCD顯示，另一方面，它還控制著輸出單元將反饋信息輸出到整個充電系統(tǒng)的驅(qū)動電路。

2.2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

根據(jù)圖2所示的系統(tǒng)框圖，所設(shè)計的無線充電控制系統(tǒng)電路如圖3所示，因車載發(fā)送模塊和地面充電樁接收模塊的主控制器電路、顯示電路以及無線收發(fā)電路相同，所以圖3所示電路為車載發(fā)送模塊和地面充電樁接收模塊的共同電路，其中車載發(fā)送模塊與地面充電樁接收模塊的不同之處在于車載發(fā)送模塊的主控制器連接了檢測單元(Voltage detector)，而地面充電樁接收模塊的主控制器與輸出單元(Output)相連。

2.2.1 主控制器

圖3中主控制器單元以STC89C52為控制核心，其為STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，它使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但進(jìn)行了很多的改進(jìn)，使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單一芯片內(nèi)，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52可以為眾多嵌入式控制系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案。STC89C52單片機(jī)對外共有40根引腳。，其中主電源引腳為VCC(40引腳)和GND(20引腳)，分別接電源的+5 V端和地端。由于晶振電路和復(fù)位電路不能集成到單片機(jī)中，所以在單片機(jī)的外部需要設(shè)計晶振電路和復(fù)位電路。晶振電路由X1、C2、C3組成，使用12 MHz的石英晶振，電容的典型值為C2=C3=30 pF。復(fù)位開關(guān)K1，電阻R1、R2和電容C1共同組成復(fù)位電路。在運行過程中，按下復(fù)位開關(guān)K1，電源經(jīng)電阻R1產(chǎn)生的正脈沖輸入RESET引腳，實現(xiàn)按鍵復(fù)位。在晶振頻率為12 MHz時，通常取C1=10 μF，R1=1 kΩ，R2=10 kΩ。

2.2.2 無線收發(fā)器

無線收發(fā)器采用Nordic公司生產(chǎn)的nRF24L01芯片。nRF24L01是世界通用ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片，采用FSK 調(diào)制，內(nèi)部集成Nordic自己的Enhanced Short Burst 協(xié)議。nRF24L01集收發(fā)功能于一體，在設(shè)計電路時，包括兩塊nRF24L01電路板，通過不同的程序可以控制芯片分別完成接收和發(fā)送的功能[6]。

為了方便用戶使用，Nordic公司將nRF24L01芯片的典型外圍電路集成到一塊PCB板上，只留出序號為1～8的控制信號、數(shù)據(jù)信號及VDD與VSS信號引腳，方便用戶使用單片機(jī)進(jìn)行控制。nRF24L01外圍電路原理如圖4所示。

nRF24L01的SPI讀寫時序如圖5所示。nRF24L01每接收一個SCK脈沖，在低電平時先發(fā)送一位數(shù)據(jù)，在高電平時再接收一位數(shù)據(jù)，要發(fā)送或已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)采用在同一個寄存器中順序左移的方式完成先串行輸出，再串行輸入，程序設(shè)計要緊密結(jié)合讀寫時序編寫。

圖3 無線充電控制系統(tǒng)電路圖

圖4 nRF24L01外圍電路原理圖

2.2.3 電壓檢測器

電壓檢測器(Voltage detector)為車載發(fā)送模塊所有，選用美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8 位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832。ADC0832采用串行通信方式，通過DI 數(shù)據(jù)輸入端進(jìn)行通道選擇、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳送，8位分辨率可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在0～5 V之間。其具有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，可以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨立的芯片使能輸入使多器件掛接和處理器控制變得更加方便，ADC0832轉(zhuǎn)換輸出數(shù)值為：

(1)

其中VREF為參考電壓，與電源輸入復(fù)用；V為負(fù)載側(cè)電壓經(jīng)兩電阻串聯(lián)分壓后的采樣信號，由2號引腳即CH0通道輸入。

圖5 nRF24L01讀寫時序

2.2.4 輸出單元

輸出單元(Output unit)為地面充電樁接收模塊所有，選用一塊采樣頻率為8位的D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，它與STC89C52單片機(jī)完全兼容。DAC0832由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成，其D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。若需要相應(yīng)的模擬電壓信號，可通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器實現(xiàn)，典型應(yīng)用接法如圖6所示。

圖6 DAC0832典型應(yīng)用電路

DAC0832邏輯輸入滿足TTL電平，可直接與TTL電路或微機(jī)電路連接。當(dāng)DAC0832芯片的片選信號、寫信號及傳送控制信號的引腳全部接地，允許輸入鎖存信號ILE引腳接+5 V時，DAC0832芯片處于直通工作方式，數(shù)字量一旦輸入，就直接進(jìn)入D/C寄存器，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。本設(shè)計將Vref接Vcc，即5 V電壓，說明該D/A的參考電壓為5 V，其模擬信號輸出一定在D×k×5(單位)內(nèi)變化(D為數(shù)字輸入量，k為一比值，與內(nèi)部電路有關(guān))。Iout1為該D/A芯片電流輸出端，Iout2+Iout1=常數(shù)，該常數(shù)約為330 μA，電流非常小。其中關(guān)于Iout1和Iout2公式如下：

(2)

(3)

本設(shè)計直接將Iout2接地。隨著負(fù)載側(cè)電壓的增大，反饋給地面充電樁主控電路的電壓亦隨之增加，通過調(diào)節(jié)占空比減小充電電流。當(dāng)負(fù)載側(cè)電壓接近60 V時，即采樣電壓達(dá)到5 V時，在LCD顯示器上顯示電量充滿，提示斷開連接。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計必須嚴(yán)格按nRF24L01收發(fā)時序進(jìn)行。無線充電控制系統(tǒng)的軟件主要包括車載發(fā)送模塊發(fā)射程序和地面充電樁模塊接收程序兩部分。發(fā)射程序流程如圖7所示，完成對I/O接口、液晶和寄存器的初始化后，首先執(zhí)行電壓采集程序，然后以循環(huán)的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。接收程序流程如圖8所示，首先初始化液晶和nRF24L01，并使能DAC芯片，然后循環(huán)接收數(shù)據(jù)。nRF24L01接收數(shù)據(jù)時，先發(fā)送數(shù)據(jù)，然后檢測對方是否接收到，對方接收到它發(fā)送的數(shù)據(jù)后再開始接收數(shù)據(jù)，接收過程特別要注意先清空FIFO標(biāo)志。

圖7 發(fā)射程序流程圖

圖8 接收程序流程圖

軟件采用通用性強(qiáng)、使用友好的C語言編寫。為了使程序結(jié)構(gòu)清晰，各子系統(tǒng)程序之間相互解耦，使整套程序具有較強(qiáng)的可移植性和可閱讀性，本設(shè)計采用了模塊化的編寫方法。

4 實現(xiàn)與測試

無線充電控制系統(tǒng)樣機(jī)如圖9所示，圖9(a)為樣機(jī)全貌，圖9(b)中左邊為車載充電模塊顯示器，右邊為地面充電樁顯示器，地面充電樁接收模塊的顯示數(shù)據(jù)隨車載發(fā)送端的數(shù)據(jù)實時變化，表明所設(shè)計的系統(tǒng)可以通過無線方式實現(xiàn)充電進(jìn)程控制。

對于無線射頻模塊nRF24L01的編程主要是通過命令及控制CE、CSN信號以及中斷信號IRQ共同完成的。對于發(fā)射節(jié)點，如果使能ACK與IRQ功能，則當(dāng)通信成功以后，也就是發(fā)射節(jié)點收到了接收節(jié)點送回的ACK信號，IRQ 線會置低。對于接收節(jié)點，如果使能ACK與IRQ功能，則當(dāng)通信成功以后IRQ線會置低。根據(jù)以上分析，用示波器測試了車載發(fā)送模塊與地面充電樁接收模塊不通信和通信時的SCK和IRQ波形，不通信時的波形如圖10(a)所示，通信成功時的波形如圖10(b)所示。

圖10 測試無線射頻模塊nRF24L01是否通信的波形圖

圖中CH1為IRQ波形，CH2為SCK波形。每次車載發(fā)送模塊和地面充電樁接收模塊通信時均收發(fā)5次信息，以確保通信成功，因此IRQ中斷請求信號置低5次，IRQ置低是在發(fā)送(或接收)完成以后(或是達(dá)到最大發(fā)射次數(shù))實現(xiàn)的。

結(jié) 語