基于STM32的國(guó)歐標(biāo)直流充電通信轉(zhuǎn)換設(shè)備研究與開發(fā)

摘 要：當(dāng)前全球電動(dòng)汽車市場(chǎng)份額迅猛增長(zhǎng)，各國(guó)的電動(dòng)汽車直流充電協(xié)議卻不盡相同，這就使得電動(dòng)汽車在不同協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)家無法進(jìn)行充電使用。目前國(guó)際上直流充電是以PLC通信和CAN通信為主導(dǎo)，現(xiàn)根據(jù)該需求，設(shè)計(jì)出一種基于STM32的國(guó)歐標(biāo)直流充電通信轉(zhuǎn)換設(shè)備，該設(shè)備一端以PLC通信與歐標(biāo)直流充電樁通信，另一端以CAN通信與國(guó)標(biāo)電動(dòng)汽車通信，以STM32F105為控制核心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互轉(zhuǎn)換，達(dá)到兩套通信協(xié)議轉(zhuǎn)換的目的。

關(guān)鍵詞：CAN通信;PLC通信;STM32F105;歐標(biāo)充電樁;國(guó)標(biāo)電動(dòng)汽車

0? ? 引言

基于STM32主控芯片設(shè)計(jì)開發(fā)產(chǎn)品將是未來發(fā)展的一大趨勢(shì)，尤其是在低成本的項(xiàng)目中其應(yīng)用將尤為明顯?，F(xiàn)歐標(biāo)直流充電PLC通信芯片以高通芯片QCA7005/7000為主導(dǎo);主控芯片則以飛思卡爾等芯片為主，此類芯片貨源管理渠道非常嚴(yán)格，必須從其授權(quán)的代理商購(gòu)買，并且售價(jià)很高。而STM32主控芯片獲取渠道非常多，供貨充足，價(jià)格低廉，硬件和軟件資源非常豐富，引腳兼容及軟件兼容做得也非常好。

本文將以STM32為主控芯片設(shè)計(jì)開發(fā)一款國(guó)歐標(biāo)直流充電通信轉(zhuǎn)換設(shè)備，使得國(guó)標(biāo)電動(dòng)汽車可以在歐標(biāo)充電樁上進(jìn)行直流充電。

1? ? 國(guó)歐標(biāo)直流充電通信轉(zhuǎn)換設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)

國(guó)歐標(biāo)直流充電通信轉(zhuǎn)換設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，本設(shè)備由電源部分、PLC數(shù)據(jù)通信部分、A/D轉(zhuǎn)換部分、單片機(jī)部分、模擬量輸出部分等組成。

工作時(shí)，PLC控制芯片首先預(yù)讀FLASH中芯片所需的系統(tǒng)啟動(dòng)信息，然后PLC數(shù)據(jù)通過隔離變壓器與PLC控制芯片進(jìn)行交互，接著PLC控制芯片將PLC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后再與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，與此同時(shí)，單片機(jī)通過CAN接口與國(guó)標(biāo)電動(dòng)汽車按照充電協(xié)議ISO 1939進(jìn)行交互。PLC數(shù)據(jù)與CAN數(shù)據(jù)在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息處理和轉(zhuǎn)換，以達(dá)到國(guó)歐標(biāo)直流充電通信轉(zhuǎn)換的目的。另外，在工作過程中，單片機(jī)實(shí)時(shí)通過A/D轉(zhuǎn)換部分對(duì)PLC傳輸線電壓進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)于不同的電壓值按照DIN 70121標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)要求進(jìn)行處理。

本系統(tǒng)采用的PLC控制芯片為QCA7000，它可將PLC信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成可以與單片機(jī)相連的數(shù)字信號(hào)，PLC控制芯片與單片機(jī)采用SPI接口方式進(jìn)行連接。

另外，國(guó)歐標(biāo)直流充電通信轉(zhuǎn)換設(shè)備還具有串口通信和模擬量輸出的功能。串口通信主要是為了實(shí)現(xiàn)在設(shè)備調(diào)試過程中以及正常通信期間數(shù)據(jù)的輸出，以便于在PC上進(jìn)行監(jiān)控。模擬量輸出主要是為了輸出電平信號(hào)，以激活國(guó)標(biāo)電動(dòng)汽車BMS進(jìn)行CAN通信。

2? ? 硬件電路的整體設(shè)計(jì)

基于STM32的國(guó)歐標(biāo)直流充電通信轉(zhuǎn)換設(shè)備的硬件系統(tǒng)主要由如下幾部分組成：PLC信號(hào)輸入端模塊部分、QCA7000 PLC通信模塊部分、單片機(jī)控制器部分、CAN通信部分等。具體如圖2所示。

單片機(jī)控制器是通信設(shè)備的核心，它主要控制著整個(gè)系統(tǒng)的輸入/輸出以及PLC數(shù)據(jù)和CAN數(shù)據(jù)的傳輸，并協(xié)調(diào)和管理系統(tǒng)中各個(gè)電路功能塊等。本設(shè)計(jì)中選用STM32F105單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心，該處理器接口資源豐富，能夠滿足本系統(tǒng)的各項(xiàng)功能需求。

2.1? ? PLC信號(hào)輸入端模塊的設(shè)計(jì)

國(guó)歐標(biāo)直流充電通信轉(zhuǎn)換設(shè)備PLC信號(hào)是耦合在一最高電壓為DC12 V的CP線上，PLC信號(hào)經(jīng)過一個(gè)1：1：1的隔離變壓器與PLC控制芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[1-2]。此通信物理層電路圖如圖3所示。

2.2? ? QCA7000 PLC通信模塊的設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，QCA7000 PLC通信模塊起到服務(wù)端與客戶端互聯(lián)通信的作用，同時(shí)與本地主控芯片進(jìn)行信息交互。在硬件設(shè)計(jì)中，需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）電壓DC1.2 V是由QCA7000芯片內(nèi)核產(chǎn)生的，非外部供電;

（2）引腳GPIO_0、GPIO_1、GPIO_2必須引出且受控，因?yàn)檫@些引腳在芯片啟動(dòng)過程中起到關(guān)鍵作用;

（3）DC1.2 V電壓檢測(cè)引腳VREG_SWREG_FB需要連接在電感L2后，否則易引起QCA7000初始化失敗問題。

QCA7000采用SPI通信方式與主控STM32F105進(jìn)行連接，另外擴(kuò)2M FLASH以儲(chǔ)存QCA7000初始化所需的PIB和FW文件信息[3]。此通信物理層電路圖如圖4所示。

2.3? ? CAN總線模塊的設(shè)計(jì)

此設(shè)備的CAN總線作用是應(yīng)用ISO 1939通信協(xié)議與國(guó)標(biāo)電動(dòng)汽車進(jìn)行直流充電通信，CAN控制器應(yīng)用的是單片機(jī)內(nèi)嵌的控制器，CAN收發(fā)器選用的是TJA1050，共模濾波器選用的是TDK-ZJY-2P01[4-5]。CAN總線物理層電路圖如圖5所示。

3? ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在本設(shè)備控制系統(tǒng)中，軟件包括PLC通信協(xié)議與CAN通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換、單片機(jī)主系統(tǒng)控制程序。

3.1? ? PLC通信協(xié)議與CAN通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換

本轉(zhuǎn)換設(shè)備在通信中主要是針對(duì)PLC協(xié)議（DIN 70121）與CAN協(xié)議（ISO 1939）的轉(zhuǎn)換。在協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中，采用以PLC通信協(xié)議為主、CAN通信協(xié)議為輔的控制策略，具體協(xié)議轉(zhuǎn)換交互如圖6所示。在兩套協(xié)議交互過程中，CAN通信開始于PLC的SDP階段，另外一個(gè)比較關(guān)鍵的點(diǎn)就是PLC通信的充電參數(shù)與發(fā)現(xiàn)階段需求的參數(shù)必須由CAN通信的BCP提供，此階段的參數(shù)一定要獲取到。此外，在PLC通信的預(yù)充電階段前要判斷出是否收到CAN通信的BCL、BCS、BSM報(bào)文，這是為了滿足在電動(dòng)汽車直流繼電器吸合的條件下再進(jìn)入預(yù)充電階段。最后就是在PLC通信電流需量階段，一定要保證CAN通信BCL報(bào)文的實(shí)時(shí)匹配，循環(huán)收發(fā)，直到接收到CAN報(bào)文BST后停止。

3.2? ? 單片機(jī)主系統(tǒng)控制程序

本控制系統(tǒng)以STM32F105為主控芯片，固件開發(fā)環(huán)境采用的是Keil編輯器，采用的底層庫(kù)為標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)[6]。

在本系統(tǒng)中，固件主要有主程序設(shè)計(jì)、PLC通信程序設(shè)計(jì)、CAN總線通信程序設(shè)計(jì)、內(nèi)置AD程序設(shè)計(jì)、串口打印程序設(shè)計(jì)、模擬量輸出程序設(shè)計(jì)等。系統(tǒng)啟動(dòng)，程序從main函數(shù)開始運(yùn)行，為保證該系統(tǒng)正常運(yùn)行，首先要進(jìn)行硬件和軟件的初始化，包括單片機(jī)時(shí)鐘配置、硬件端口配置、CAN控制器初始化、PLC控制器配置、使能定時(shí)器配置等。然后進(jìn)入主程序循環(huán)，首先讀取PLC接收緩存區(qū)，判斷是否有數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)，則按照DIN 70121通信協(xié)議進(jìn)行PLC數(shù)據(jù)回復(fù)（沒有則跳過此步驟），之后再讀取CAN接收緩存區(qū)內(nèi)是否有新數(shù)據(jù)，有則按照ISO 1939協(xié)議在定時(shí)器內(nèi)進(jìn)行回復(fù)（沒有則跳過此步驟），與此同時(shí)再次判斷PLC接收緩存區(qū)是否有新數(shù)據(jù)，按此方式進(jìn)行循環(huán)判斷。在此過程中，接收到的PLC數(shù)據(jù)與CAN發(fā)送數(shù)據(jù)和接收到的CAN數(shù)據(jù)與PLC發(fā)送的數(shù)據(jù)是傳參的。具體的軟件流程圖如圖7所示。

在PLC數(shù)據(jù)與CAN數(shù)據(jù)接收、發(fā)送過程中，可以按照需求以串口輸出的方式在PC上查看數(shù)據(jù)，便于調(diào)試及故障查找。

4? ? 系統(tǒng)測(cè)試

按照開發(fā)先后順序，系統(tǒng)測(cè)試包括模擬測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試兩個(gè)部分。

4.1? ? 模擬測(cè)試

在開發(fā)中，模擬測(cè)試臺(tái)架測(cè)試原理如圖8所示。在此模擬系統(tǒng)中，國(guó)標(biāo)電動(dòng)汽車部分采用P_CAN進(jìn)行通信模擬，在歐標(biāo)電動(dòng)汽車部分，選用歐凱諾公司的SECC歐標(biāo)充電樁模擬器。

模擬測(cè)試結(jié)果如圖9所示。圖中左邊是PLC模擬器串口輸出的實(shí)時(shí)通信數(shù)據(jù)，右邊是P_CAN模擬發(fā)送和接收到的數(shù)據(jù)。

4.2? ? 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，國(guó)標(biāo)電動(dòng)汽車選用的是蔚來汽車ES8，歐標(biāo)充電樁選用的是EXP的一款充電樁?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

5? ? 結(jié)語

本文主要完成了基于STM32的國(guó)歐標(biāo)直流充電通信轉(zhuǎn)換設(shè)備的研究與開發(fā)，包括其硬件設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此設(shè)備與歐標(biāo)充電樁是以PLC方式進(jìn)行連接，按照DIN 70121協(xié)議進(jìn)行通信;此設(shè)備與國(guó)標(biāo)電動(dòng)汽車是以CAN總線的方式進(jìn)行連接，按照ISO 1939協(xié)議進(jìn)行通信;PLC通信數(shù)據(jù)與CAN通信數(shù)據(jù)在主控STM32F105中進(jìn)行傳參交互，達(dá)到國(guó)歐標(biāo)直流充電通信轉(zhuǎn)換的目的。

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收稿日期：2021-04-07

作者簡(jiǎn)介：丁亞洲（1981—），男，吉林九臺(tái)人，在職碩士研究生，主任工程師，研究方向：儀表技術(shù)。