基于CAN通信的充電樁集成監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓 輝，湯春球，莫易敏，王 達(dá)，蔣亞華

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

電動(dòng)汽車是新能源汽車注重發(fā)展的一個(gè)重要方向，近幾年我國出臺(tái)了多項(xiàng)政策，大力支持電動(dòng)汽車的發(fā)展。電動(dòng)汽車的使用離不開充電樁的支持，電動(dòng)汽車的快速普及也促使充電樁的安裝數(shù)量大幅增長。如此多的充電樁，必須配備完善的監(jiān)控系統(tǒng)，才能保證充電樁的安全運(yùn)行，同時(shí)也便于維護(hù)人員對(duì)充電樁管理。

目前工程上對(duì)于分散設(shè)備的集中監(jiān)控大多采用CAN(controller area network)總線通信的方式。CAN總線最早應(yīng)用于汽車總線，后來經(jīng)過一系列的改進(jìn)和發(fā)展，目前已經(jīng)是一種具有國際性標(biāo)準(zhǔn)的串行總線。CAN總線具有抗干擾性好、實(shí)時(shí)性好、通信速率快，通信可靠性強(qiáng)等許多優(yōu)良特性，非常適合于充電樁的集中監(jiān)控設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 充電樁控制系統(tǒng)硬件組成

充電樁大致可分為兩類，一類是直流充電樁，一類是交流充電樁。直流充電樁充電電流大，充電時(shí)間短，但對(duì)電池的損害較大；交流充電樁采用小電流充電，充電時(shí)間長，對(duì)電池的損害較小[1]。充電樁控制系統(tǒng)的硬件組成主要包括主控制器、觸摸屏、存儲(chǔ)模塊、IC讀卡器、傳感器芯片、智能電表以及通信模塊。主控制器用于控制充電樁的啟動(dòng)、停止、數(shù)據(jù)處理和對(duì)外通信；觸摸屏作為人機(jī)交互界面，顯示充電樁的運(yùn)行信息；讀卡器用于實(shí)現(xiàn)IC卡付費(fèi)功能；存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)用戶信息和充電樁運(yùn)行參數(shù)；傳感器芯片和智能電表用于采集充電樁的電壓、電流和電量等數(shù)據(jù)；通信模塊負(fù)責(zé)讀取其他元件數(shù)據(jù)以及與上位機(jī)通信[2]。

1.2 充電樁CAN組網(wǎng)形式

充電樁的CAN總線網(wǎng)絡(luò)采用總線型拓?fù)?，如圖1所示。CAN總線的雙絞線構(gòu)成單一信道，所有節(jié)點(diǎn)都接入這條公共信道，理論上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以接收總線上的數(shù)據(jù)。為了避免對(duì)不需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，CAN節(jié)點(diǎn)可對(duì)報(bào)文標(biāo)識(shí)符進(jìn)行過濾，只接收特定標(biāo)識(shí)符的報(bào)文。在總線首尾兩端各接入一個(gè)120 Ω的終端電阻，目的是減少總線上信號(hào)反射，從而提高信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性[3]。

圖1 CAN網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 充電樁主控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能框圖

充電樁采用STM32F103ZET6芯片作為主控制器。該芯片基于ARM Cortex-M3內(nèi)核設(shè)計(jì)，內(nèi)置64 kB SRAM和512 kB FLASH，可支持大量代碼的編寫，運(yùn)行速度快，帶有112個(gè)IO接口，84個(gè)中斷，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的中斷嵌套，此外還支持I2C、SPI、USART、RS484、CAN等多種總線[4]。

主控制芯片與各個(gè)模塊之間采用的串行總線進(jìn)行通信，其中主控芯片和智能電表以及人機(jī)交互模塊之間的通信采用RS～485總線，這種總線擁有較強(qiáng)的抗電磁干擾性能，可有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性；與讀卡器模塊之間采用RS～232總線通信；與傳感器模塊則直接連接芯片的AD模塊。主控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 主控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 主控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

STM32F103ZET6芯片帶有RS232、RS485、CAN等總線接口，但是芯片的輸出電平是TTL電平，并不滿足總線通信的電平標(biāo)準(zhǔn)，因而需要外接芯片作為通信收發(fā)芯片[5]。CAN通信外接芯片采用TJA1050芯片。該芯片性能優(yōu)良，傳輸速度快，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，優(yōu)化了CAN-H和CAN-L之間的耦合，大幅降低了電磁輻射。具體的CAN總線通信接口電路如圖3所示。

圖3 TJA1050芯片接口電路圖

此外RS232總線和RS485總線的外接芯片分別為SP3232和SP3485，接口電路圖如圖4所示和圖5所示。

圖4 SP3232芯片接口電路圖

圖5 SP3485總線接口電路圖

2.3 主程序控制流程

由于STM32F103ZET6芯片不帶有操作系統(tǒng)，因而所有的數(shù)據(jù)獲取和處理都是通過主循環(huán)和中斷來實(shí)現(xiàn)的。主循環(huán)是一個(gè)while(1)的無限循環(huán)，不斷輪詢各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)；中斷則主要處理數(shù)據(jù)的發(fā)送和充電樁狀態(tài)的變更。系統(tǒng)運(yùn)行的流程是先初始化、系統(tǒng)自檢，自檢成功后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)有用戶刷卡時(shí)，判斷磁卡是否有效，若有效則進(jìn)入人機(jī)交互界面，提示用戶完成充電插頭連接工作，而充電樁也是通過檢測(cè)插頭上的CC信號(hào)來判斷連接是否正常。連接成功后提示用戶選擇充電模式，然后再根據(jù)模式的不同判斷磁卡余額是否滿足充電需求，若余額不足則跳轉(zhuǎn)充值界面，余額充足則開始充電。主控制系統(tǒng)主循環(huán)流程如圖6所示。此外，定時(shí)器中斷程序每隔1 s執(zhí)行一次，將充電樁的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和故障報(bào)警信息打包，通過CAN總線發(fā)送到上位機(jī)。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

3 CAN通信設(shè)計(jì)

3.1 CAN 2.0B通信協(xié)議

本系統(tǒng)采用CAN 2.0B協(xié)議，他是一種基礎(chǔ)的底層協(xié)議。該協(xié)議有兩種格式,分別為標(biāo)準(zhǔn)幀格式和擴(kuò)展幀格式。標(biāo)準(zhǔn)幀含有11位標(biāo)識(shí)符，擴(kuò)展幀含有29位標(biāo)識(shí)符，二者主要的區(qū)別是ID的長度上不一樣，能夠擴(kuò)展的CAN節(jié)點(diǎn)數(shù)也不一樣[6]。由于停車場(chǎng)充電樁的數(shù)量有限，因而本系統(tǒng)采用CAN 2.0B的標(biāo)準(zhǔn)幀格式。標(biāo)準(zhǔn)幀的報(bào)文傳輸有4種不同的幀類型，分別為數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和過載幀，其中數(shù)據(jù)幀使用最為廣泛，本系統(tǒng)也只需要使用數(shù)據(jù)幀。

通信的方式為從機(jī)主動(dòng)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機(jī)不向從機(jī)發(fā)送查詢指令，只接收數(shù)據(jù)。從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率為1 s一次。標(biāo)準(zhǔn)幀11位ID格式如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)幀ID格式

地址位(ID10…ID5，5位)，當(dāng)主站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該段位為接收數(shù)據(jù)的從站ID；當(dāng)從站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)該段位為自身設(shè)備的ID。讀寫標(biāo)志位為0時(shí)，表示主站向從站寫入數(shù)據(jù)，為1時(shí)表示從站設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸波特率設(shè)定為100 kbps。

每一幀數(shù)據(jù)幀后面可以附帶8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，根據(jù)充電樁實(shí)際所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)制定數(shù)據(jù)傳輸格式,幀數(shù)據(jù)格式如表2所示。輸入電壓為380 V三相交流電，在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)默認(rèn)只傳輸AC相電壓；對(duì)于交流充電樁而言，輸出電壓也是三相的，因而也默認(rèn)傳輸AC相的輸出電壓和輸出電流。充電樁芯片將獲取的真實(shí)數(shù)據(jù)乘以10發(fā)送，當(dāng)上位機(jī)接受到數(shù)據(jù)后再除以10，得到保留一位小數(shù)的真實(shí)數(shù)據(jù)，分辨率為0.1。

表2 幀數(shù)據(jù)格式

數(shù)據(jù)組合方式為：BYTE0-BYTE1，以此類推。其中索引幀號(hào)為0X01的BYTE7字節(jié)位定義如表3所示。其中1表示故障，0表示正常。

表3 故障報(bào)警字節(jié)位定義

3.2 CAN通信程序設(shè)計(jì)

CAN通信程序采用Keil5編寫，配合使用ST公司為STM32系列芯片編寫的庫函數(shù)，這些函數(shù)已經(jīng)將芯片的底層操作封裝好了，用戶使用時(shí)只需調(diào)用API函數(shù)即可[7]。

CAN通信程序設(shè)計(jì)包括STM芯片自身的GPIO初始化、CAN芯片的初始化、CAN通信參數(shù)的配置、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送和接受程序，其中CAN參數(shù)的配置包括設(shè)置波特率和采樣點(diǎn)。

在CAN通信參數(shù)的配置中，要通過位時(shí)序來設(shè)置采樣點(diǎn)和波特率。采樣點(diǎn)和波特率的計(jì)算公式如下：

波特率=CAN時(shí)鐘/((1+CAN_BS1+CAN_BS2)×CAN_Prescaler)

sample=(1+CAN_BS1)/(1+CAN_BS1+CAN_BS2)

CAN_BS1、CAN_BS2表示兩個(gè)時(shí)間段；CAN_Prescaler為波特率分頻器，二者與晶振頻率共同決定波特率的大小。波特率根據(jù)CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)進(jìn)行配置，節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，波特率應(yīng)設(shè)置越低。而采樣點(diǎn)是根據(jù)波特率大小來設(shè)置的，一般來說采樣點(diǎn)隨著波特率的提高而靠前，波特率為500 kbps時(shí)，采樣點(diǎn)應(yīng)設(shè)置為80%左右。

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)沒有CAN接口，因此需要采用CAN轉(zhuǎn)USB將CAN信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可讀取的USB信號(hào)。本系統(tǒng)采用的USBCAN-II Pro分析儀，該分析儀支持兩路CAN同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，支持多種CAN協(xié)議，且USB、CAN1、CAN2完全隔離，互不干擾。該分析儀提供了各種主流開發(fā)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)接口。當(dāng)分析儀接收到CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)時(shí)，保存在R-Buffer緩沖區(qū)，上位機(jī)程序調(diào)用分析儀的接口函數(shù)，請(qǐng)求查詢接收，分析儀則將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)送到USB接口。如圖7所示，上位機(jī)軟件主要由以下4個(gè)部分組成：

(1)充電實(shí)時(shí)監(jiān)控。該部分作為上位機(jī)主界面，可以實(shí)時(shí)顯示各充電樁的狀態(tài)和基本參數(shù)。

(2)歷史充電數(shù)據(jù)記錄。充電樁每一次充電記錄和故障記錄都會(huì)存儲(chǔ)下來，便于后期查詢分析。

(3)電能質(zhì)量管理。獲取充電樁在充電過程中電壓、電流值數(shù)據(jù)，并繪制圖表，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的分析。

(4)用戶管理。監(jiān)控軟件需要登錄賬戶才可以使用，實(shí)現(xiàn)用戶的權(quán)限管理。

圖7 上位機(jī)監(jiān)控界面

5 結(jié)論

針對(duì)數(shù)量多且分散的充電樁，設(shè)計(jì)了一種監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)充電樁所要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了分析。確定充電樁的主控芯片和相關(guān)模塊，并且提煉出充電樁與上位機(jī)通信的具體內(nèi)容，根據(jù)此內(nèi)容設(shè)計(jì)出充電樁與上位機(jī)之間的CAN通信協(xié)議，編寫上位機(jī)監(jiān)控界面。本系統(tǒng)采用CAN總線實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁的集成監(jiān)控，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便，性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸快，能很好地滿足監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。