遠(yuǎn)程升級直流充電機系統(tǒng)設(shè)計

沈 偉，衛(wèi)龍龍，楊勝浩

（中國空空導(dǎo)彈研究院 凱邁（洛陽）電子有限公司，洛陽471003）

近年來，全球電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，直接帶動了與之配套的充電機市場的火爆，當(dāng)前我國新能源充電機保有量位居全球第一。 為了滿足客戶對充電機日益增長的新功能需求和解決已發(fā)現(xiàn)問題，經(jīng)常要對現(xiàn)有充電機的主控器以及各個組件進行軟件升級。 充電機出廠后遍布全國各地甚至遠(yuǎn)在歐洲偏遠(yuǎn)、高寒地區(qū)，人工升級維護的人力、物力、時間成本過高，遠(yuǎn)程升級成為最佳方式。

然而，目前充電機少電動汽車多，矛盾依然突出，尤其公交場站充電機大部分時間處于使用狀態(tài)[1-3]。 由于升級系統(tǒng)及方法存在缺陷，對使用率高的充電機進行遠(yuǎn)程升級尚存在一定的風(fēng)險和不便，主要缺陷表現(xiàn)在：①升級文件傳輸過程必須在充電機空閑時進行，否則影響正常充電業(yè)務(wù)；文件的傳輸及更新全過程必須有人值守，費時費力；②升級文件的傳輸出錯或斷電必須重新傳輸，大文件傳輸時間長，出錯概率高；③不支持對充電機系統(tǒng)中各個模塊和組件進行升級；④不支持同時批量升級充電機，升級效率低。 鑒于此，設(shè)計了直流充電機遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)。 該系統(tǒng)支持?jǐn)帱c續(xù)傳，不影響充電業(yè)務(wù)，支持批量同時升級，從而彌補傳統(tǒng)遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)和方法的諸多不足。

1 充電機系統(tǒng)的硬件設(shè)計

直流充電機系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。 圖中，直流充電機系統(tǒng)由主控器、人機交互串口屏、刷卡模塊、電源模塊、輔助電源、M（M≥1）個功率模塊、絕緣檢測泄放模塊、直流電能表、充電槍控制模塊、充電槍頭組成[4-8]。

圖1 直流充電機系統(tǒng)的總體框架Fig.1 Overall architecture of DC charger system

交流輸入給電源模塊、輔助電源和M 個功率模塊供電。 電源模塊將電壓轉(zhuǎn)換為24 V 給主控器供電，主控器的微控制芯片為STM32F103ZET6[9]。

主控器通過串口URAT1 與人機交互串口屏進行通信，完成充電過程中人機交互和信息顯示功能。 主控器通過串口URAT2 與刷卡模塊進行通信，完成充電前的刷卡開始和充電結(jié)束后的刷卡結(jié)算功能。

主控器通過CAN1 與M 個功率模塊進行通信，控制各個功率模塊的開啟和閉合，控制充電過程中各個功率模塊輸出電壓和電流。 主控器通過CAN2與絕緣檢測泄放模塊進行通信，完成充電握手階段對充電機進行絕緣檢測功能，以及在絕緣檢測結(jié)束和充電過程結(jié)束后泄放功能。 主控器通過CAN2 與直流電能表進行通信，完成充電機直流輸出端的電能計量功能。 主控器通過CAN2 與充電槍控制模塊進行通信； 充電槍控制模塊，通過控制線1 管控DC+/DC-的接觸器K1/K2 的開啟與閉合，通過控制線3 管控輔助電源接觸器K3/K4 的開啟與閉合，通過控制線2 管控充電槍頭的電子鎖的開啟與閉合，獲取電子鎖反饋信號，獲取接觸器K1/K2 狀態(tài)反饋信號，獲取接觸器K3/K4 狀態(tài)反饋信號、采集槍在位電壓值、采集槍頭溫度。

GPRS 通信單元位于主控器上，負(fù)責(zé)充電機和后臺服務(wù)器進行無線通信。 GPRS 通信單元選用Telit GL868 模塊。如圖2所示，IXP1 為GL868 模塊與SIM 卡的接口，DTRA 為STM32 控制GL868 模塊供電的使能信號。 ANT 為GL868 模塊的天線。GL868 管腳7 數(shù)據(jù)通信TXD 和管腳8 RXD 的電壓范圍與STM32 的UART3 電壓范圍不一致，通過電平轉(zhuǎn)換才能與STM32 UART3 的管腳RXD 和TXD相連接。 PWR 是GL868 模塊的上電監(jiān)控信號，其電壓范圍與STM32 芯片IO 輸入管腳電壓范圍也不同，需電平轉(zhuǎn)換。 信號PWR 連接1VT14 的基極，信號PWR_IN 一端接1VT14 的集電極并通過上拉電阻1R64 接3.3 V，另一端連接主控器控制芯片STM32 的輸入管腳。 當(dāng)GL868 有電時，PWR 為高電平1.8 V，則1VT14 導(dǎo)通，PWR_IN 為低電平0 V；當(dāng)GL868 下電時，PWR 為低電平0 V，則1VT14 截止，PWR_IN 高電平3.3 V，這樣控制芯片STM32 就能確定GL868 模塊是否供電正常。

由于各個模塊和組件都有通信線路連接，因此要升級各個模塊和組件時，就可以通過通信線路發(fā)送升級命令并轉(zhuǎn)發(fā)升級文件。

2 直流充電機系統(tǒng)軟件升級方法

2.1 軟件升級步驟

直流充電機系統(tǒng)軟件的升級步驟如圖3所示[10]。 后臺服務(wù)器中的管理軟件進行升級文件的裝載，升級組件類型、更新方式和充電機地址的選擇。當(dāng)用戶從后臺啟動升級后，后臺軟件對原始的升級文件進行壓縮，并下發(fā)充電機啟動升級命令。

圖2 直流充電機系統(tǒng)GPRS 通信單元電路Fig.2 Circuit of GPRS communication unit of DC charger system

圖3 直流充電機系統(tǒng)軟件升級步驟Fig.3 Upgrade steps of DC charger system software

具體而言，對原始的升級文件進行壓縮，文件就能在盡可能短的時間內(nèi)傳輸完畢，且傳輸占用網(wǎng)絡(luò)流量盡可能少。 尤其是充電機系統(tǒng)中，串口屏組件的單張圖片為24 位真彩色，分辨率1024×768。如果對串口屏中的圖片進行升級，單張圖片的大小就有2.25 M。 如此大小的圖片經(jīng)過GPRS 通信單元進行傳輸顯然既費時又耗流量。 因此，對升級文件進行壓縮后再傳輸，是行之有效的解決方法。

后臺服務(wù)器軟件采用無損壓縮算法對原始的升級文件進行壓縮。 壓縮方法是根據(jù)文件內(nèi)容生成碼表，用碼表的索引替代文件中對應(yīng)的二進制字符來達到壓縮的目的。

充電機收到升級命令后，開始與后臺服務(wù)器建立升級專用IP 地址和端口建立鏈接。在升級專用鏈接建立成功后，充電機向后臺服務(wù)器發(fā)送升級登錄幀，登錄成功后，后臺服務(wù)器開始發(fā)送升級文件的壓縮包。

2.2 升級文件傳輸和處理

充電機發(fā)送登錄幀中的描述表如圖4所示，斷點續(xù)傳功能得以實現(xiàn)的關(guān)鍵在于，登錄幀中記錄有當(dāng)前傳輸文件長度、類型、升級方式等內(nèi)容的描述表。 登錄幀中的描述表僅當(dāng)后臺軟件下發(fā)啟動升級命令或升級文件傳輸完成后才會被清空，否則該登錄幀的描述表所記錄的信息即使掉電也不會丟失。所以，即使網(wǎng)絡(luò)斷開或者充電機系統(tǒng)掉電，充電機重新登錄到后臺服務(wù)器，后臺可以根據(jù)登錄幀中的描述表對充電機進行升級文件續(xù)傳。

圖4 充電機發(fā)送登錄幀中的描述表Fig.4 Description table in the login frame sent by charger

登錄幀的描述表包括升級文件原始長度、升級文件原始校驗和、升級文件壓縮包長度、升級文件壓縮包校驗和、升級文件類型、更新文件方式、已經(jīng)接收到壓縮文件長度等信息。

升級文件傳輸過程中，數(shù)據(jù)幀接收處理流程如圖5所示，充電機每收到一幀數(shù)據(jù)做以下動作：計算校驗和，保存數(shù)據(jù)，更新登錄幀描述表中已接收文件長度信息，向后臺服務(wù)器升級管理軟件發(fā)送確認(rèn)幀。 后臺確認(rèn)充電機收到該幀后，再繼續(xù)發(fā)送下一幀。 當(dāng)升級文件壓縮包接收完畢后，充電機計算壓縮文件的校驗和正確，就開始對壓縮包進行解壓縮工作。 充電機先接收完整的升級壓縮包后再進行解壓，而非接收一幀壓縮數(shù)據(jù)解壓一幀。 接收的升級文件壓縮包和解壓后原始的文件位于充電機Flash 不同的地址。

圖5 升級文件傳輸過程中數(shù)據(jù)幀接收處理流程Fig.5 Flow chart of data frame receiving and processing in the process of upgrading file transmission

解壓完畢后，判斷原始文件的校驗和是否正確，若正確則升級文件有效。 文件充電機根據(jù)升級文件的類型和更新文件方式進行相應(yīng)操作。 如果更新文件方式為立即更新，則充電機立即更新程序；如果為空閑更新，則等待充電機充電業(yè)務(wù)完成后更新程序；如果為上電更新，則需要主動掉電再上電后完成程序的更新。

直流充電機通過遠(yuǎn)程通信單元與后臺服務(wù)器進行通信，該遠(yuǎn)程通信單元允許直流充電機與后臺服務(wù)器建立多個鏈接。 由于充電機與后臺傳輸升級文件使用的鏈接和充電機與后臺監(jiān)控管理所使用的鏈接是各自獨立的，因此不影響后臺正常的監(jiān)控與管理。

由于充電機接收升級文件壓縮包和解壓的過程與充電機正常的充電流程以及用戶人機操作是并行處理的，并且可以選擇空閑或上電更新程序的方式，因此升級不影響正常的充電業(yè)務(wù)。

2.3 軟件升級狀態(tài)機和更新流程

充電機升級文件傳輸和升級狀態(tài)機圖，如圖6所示，分為：初始態(tài)、登錄態(tài)、接收升級包態(tài)、校驗升級包態(tài)、解壓升級包態(tài)、校驗升級文件態(tài)和更新程序等7 種狀態(tài)。

圖6 充電機升級文件傳輸和升級狀態(tài)機圖Fig.6 State machine diagram of charger upgrade file transmission and upgrade

具體而言，當(dāng)充電機沒有升級任務(wù)時，處于初始態(tài)；當(dāng)有升級任務(wù)時，充電機向后臺服務(wù)器發(fā)送登錄幀并進入登錄態(tài)。 如果超時未登錄成功，則返回到初始態(tài)； 如果登錄成功并且開始接收數(shù)據(jù)，則進入接收升級包態(tài)。 如果升級包接收成功，則進入校驗升級包態(tài)；如果接收過程中傳輸斷開，則返回到初始態(tài)。 在校驗升級包態(tài)時，根據(jù)登錄幀中描述表的升級包校驗和來判斷升級包是否有效。 如果校驗正確則進入解壓升級包態(tài)；如果校驗失敗，升級包無效則返回到初始態(tài)。 壓縮包解壓完成得到升級的原始文件，則進入校驗升級文件態(tài)。 根據(jù)登錄幀中描述表的原始文件校驗和來判斷解壓出來原始升級文件是否有效。 校驗升級文件合法有效則進入更新程序態(tài)；若校驗失敗則返回解壓升級包態(tài)重新解壓升級包；若校驗失敗次數(shù)超限，則返回到初始態(tài)。 在更新程序態(tài)時，根據(jù)文件類型和更新方式對主控板或各個模塊及組件進行升級，升級成功返回初始態(tài)。

充電機系統(tǒng)更新升級文件的流程如圖7所示。更新升級文件為升級充電機的最后一個階段。 在此之前，充電機已經(jīng)完成軟件升級包的傳輸和解壓工作。

圖7 更新升級文件的流程Fig.7 Flow chart for updating upgrade files

3 結(jié)語

針對電動汽車傳統(tǒng)升級系統(tǒng)及方法所存在的缺陷，設(shè)計了遠(yuǎn)程升級直流充電機系統(tǒng)，提出了安全穩(wěn)定、批量化、通用的嵌入式系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級的方法，解決了現(xiàn)有充電機升級文件傳輸影響充電業(yè)務(wù)、效率低、不智能等問題。 該設(shè)計已應(yīng)用于凱邁（洛陽）公司的充電機嵌入式軟件及后臺管理系統(tǒng)中。 該系統(tǒng)在上海、東莞等公交場站充電機批量遠(yuǎn)程升級使用時安全、有效、便捷。 該系統(tǒng)及遠(yuǎn)程升級方法具有較高的推廣價值。