東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 張 堯

華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 朱浩楠

本文將圍繞智能充電樁嵌入式控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)與器件選擇進(jìn)行分析討論，提出基于stm32的智能充電樁嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法，并進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際結(jié)果可知該系統(tǒng)不僅能保證控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，還能確保程序性能可靠。

stm32又稱嵌入式單片機(jī)是專門為高性能、低功耗要求設(shè)計(jì)的ARM處理器內(nèi)核，而基于其運(yùn)行原理設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能充電樁控制能力的大幅度優(yōu)化，降低經(jīng)濟(jì)成本的使用，確保開發(fā)后的軟件能夠保持良好的兼容性與實(shí)用性。為了保證各項(xiàng)設(shè)計(jì)方法能夠有效運(yùn)用，首先要對(duì)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)與器件選擇進(jìn)行深入分析。

1 智能充電樁嵌入式控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)與器件擇選

當(dāng)前我國將綠色能源的使用作為未來工業(yè)發(fā)展方向，要求進(jìn)一步加快電動(dòng)汽車的研發(fā)與制造，充分發(fā)揮零污染排放、不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞、成本支出相對(duì)較低、維護(hù)工作易于開展的特點(diǎn)。雖然該類型汽車的優(yōu)勢眾多，但在不斷研發(fā)的過程中也出現(xiàn)了充電難題，由于原本的充電樁在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分布上存在一定不足之處，從而造成電動(dòng)車的續(xù)航能力受到影響，因此優(yōu)化充電樁的設(shè)計(jì)勢在必行。充電樁的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于控制系統(tǒng)的強(qiáng)化，確保充電能力得到大幅度加強(qiáng)。以往的設(shè)計(jì)方法，主要是要求控制器能夠基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，完成相應(yīng)模塊與程序的控制，以模糊免疫作為節(jié)能基礎(chǔ)、積分控制法以及SMITB控制器作為應(yīng)用內(nèi)容，雖然該方法能夠?qū)崿F(xiàn)控制性能的提升，但成本支出過高，適用性較差，難以完成大面積推廣。因此為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，使各項(xiàng)系統(tǒng)功能得到良好運(yùn)用，便需要對(duì)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行完善與提升。

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先在設(shè)計(jì)之前需要對(duì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面了解，明確各項(xiàng)功能指標(biāo)，使用AD系統(tǒng)預(yù)先對(duì)充電樁控制系統(tǒng)內(nèi)的6個(gè)通道進(jìn)行信息采集。當(dāng)前充電樁控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)部分可分為：軟件設(shè)計(jì)，是指將主控模塊作為控制核心，而其中的信號(hào)檢測模塊組需要由控制電路、信號(hào)接入與電源設(shè)計(jì)三部分組成；硬件設(shè)計(jì)是指ARM電路板、調(diào)理電路、時(shí)鐘設(shè)計(jì)等。具體的控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程可分為：由供電設(shè)置向AD采集系統(tǒng)供電，完成電流、電壓、差壓傳感器與調(diào)理電路的有效連接，實(shí)現(xiàn)與嵌入式ARM主控板間的信號(hào)傳遞與數(shù)據(jù)傳輸。其次要依照總體設(shè)計(jì)架構(gòu)，完成功能指標(biāo)分析，控制系統(tǒng)的輸入電壓范圍通常為：+/-220V和+/-360V，可以維持600khz的連續(xù)工作，并且最高采樣速率在300khz左右，能夠?qū)ACHE與4路組有機(jī)結(jié)合，具有低能耗的優(yōu)勢，可以支持異步存儲(chǔ)器。而系統(tǒng)的穩(wěn)壓功耗為150mw，包含CAN2.0接口。

1.2 建立開發(fā)環(huán)境

通過對(duì)以上設(shè)計(jì)框架與功能指標(biāo)進(jìn)行深入分析，明確模塊化設(shè)計(jì)的內(nèi)容，可知系統(tǒng)設(shè)計(jì)所使用的低功耗ARM控制器可以作為控制系統(tǒng)的控制器。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)境要以LINUX作為運(yùn)行平臺(tái)，利用8位與16位控制器完成控制系統(tǒng)軟件程序的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)，可以在用戶終端上保證充電樁復(fù)雜功能的有效應(yīng)用。同時(shí)軟件系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境通常以交叉編譯為主，是指開發(fā)環(huán)境理應(yīng)安裝在服務(wù)器系統(tǒng)當(dāng)中，所開發(fā)出的相應(yīng)系統(tǒng)也應(yīng)在嵌入式計(jì)算機(jī)中完成運(yùn)行。在建立開發(fā)環(huán)境過程中可將CHANVECTOUR作為采集通道列表，F(xiàn)S當(dāng)作采樣頻率，并借助外部存儲(chǔ)器完成執(zhí)行程序加載、從ROM內(nèi)啟動(dòng)執(zhí)行程序，從而引導(dǎo)裝載模式的運(yùn)行，使控制系統(tǒng)的目標(biāo)板與宿主機(jī)能夠使用網(wǎng)線、USB進(jìn)行連接。

在操作系統(tǒng)選擇上則需以LINUX為主，需要在WINDOWS系統(tǒng)中安裝CYGWIN，并將提前編譯好的數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)當(dāng)中，之后由控制系統(tǒng)進(jìn)行PC環(huán)境的模擬，確保LINUX中的各項(xiàng)編譯器可以完成二級(jí)制代碼的GCC編譯實(shí)現(xiàn)。而充電樁內(nèi)的控制系統(tǒng)AD采集模塊則主要由信號(hào)調(diào)理與芯片采集兩部分組成，主要通過32KB的SHRM與BANK完成數(shù)據(jù)參數(shù)的存儲(chǔ)，而采集芯片則主要負(fù)責(zé)控制信息與模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，使其成為能夠被系統(tǒng)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，再傳遞到主控系統(tǒng)中完成數(shù)字處理。主控系統(tǒng)是整個(gè)充電樁控制系統(tǒng)的核心部分，能夠借助STM32的嵌入方法完成相應(yīng)設(shè)計(jì)，要求在客戶端控制面板中構(gòu)建聯(lián)合CACHE，并采用定時(shí)器進(jìn)行電動(dòng)車的智能充電。

2 基于stm32的智能充電樁嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法

2.1 硬件設(shè)計(jì)

基于stm32的智能充電樁嵌入式控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要可分為以下四大部分：第一，傳感器模塊，主要是對(duì)充電信息以及相應(yīng)數(shù)據(jù)參數(shù)完成收集與檢測，通過看門狗、低電壓兩種復(fù)位方式建立信號(hào)傳感器，并對(duì)充電樁的控制信息進(jìn)行在線檢測，同時(shí)要使用PPI外設(shè)接口設(shè)置傳感器模塊，要求結(jié)構(gòu)組成采用半雙工形式，能夠支持立體聲道的AD數(shù)據(jù)采集。并且該模塊的結(jié)構(gòu)方式要保證為串行，能夠與STM32宿機(jī)完成連接，使用雙路電流輸出實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，確保最大輸入輸出為16位的數(shù)據(jù)信息。再與AD轉(zhuǎn)換器收集的控制信息有效結(jié)合，從而得到傳感器模塊接口電路分布狀況；第二，RTC模塊電路，是指能夠?qū)崿F(xiàn)控制信息的濾波、檢測等調(diào)理功能，需使用ARM芯片完成LCD控制器的構(gòu)建。由于STM32本身的控制時(shí)間順序比較混亂與繁雜，而且晶振內(nèi)產(chǎn)生的信號(hào)會(huì)在一定程度上影響采集信息的精確度，因此為了避免此類現(xiàn)象發(fā)生，需要提高控制系統(tǒng)電路的穩(wěn)定性，采用RGB信號(hào)輸出模型完成信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測與濾波，根據(jù)實(shí)際需要完成控制時(shí)鐘的及時(shí)中斷；第三，時(shí)鐘電路，用于數(shù)字信息的處理，屬于控制系統(tǒng)內(nèi)的核心模塊，需要使用源晶振完成電路設(shè)計(jì)。第四，STMA32的主控模塊需要采用嵌入式技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要數(shù)據(jù)參數(shù)如下：輸入電壓，14+/-0.3或12+/-8 V；AD轉(zhuǎn)化器采樣通道：8通道，同步與異步輸入；I/O電壓：24V；采樣時(shí)鐘：高于150 HZ。

2.2 軟件開發(fā)

在有效完成硬件設(shè)計(jì)的前提下，需要以STM32的充電樁控制系統(tǒng)軟件開發(fā)作為實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)為ARMcortex，能夠支持多種控制芯片，通過嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)可以對(duì)控制系統(tǒng)內(nèi)的電路與模塊完成參量的初始化設(shè)置。而在軟件開發(fā)過程中，要優(yōu)先完成系統(tǒng)的初始化，借助對(duì)話框的形式進(jìn)行同步串口的初始化，要求輸出窗口能夠顯示編譯過程，再利用C++進(jìn)行程序的編寫，并在CAN串口上實(shí)現(xiàn)地址與標(biāo)號(hào)斷點(diǎn)的布置。同時(shí)在嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中要進(jìn)一步開發(fā)控制系統(tǒng)的LINUX內(nèi)核以及程序軟件，通過存儲(chǔ)器進(jìn)行管理，確保系統(tǒng)啟動(dòng)與遠(yuǎn)程控制功能可以順利使用，使用simulatour以及VISUAL準(zhǔn)確判定數(shù)組與變量所占的空間大小，再結(jié)合處理器完成程序編譯工作，要求能夠采用CPIO完成SPI的模擬，由控制信息檢測儀測定時(shí)鐘信號(hào)，分析程序代碼，并通過接口配置PPIDE運(yùn)行模式、數(shù)據(jù)寬度以及信號(hào)極性，保證GPIO管腳的程序配置有序完成。最后通過驅(qū)動(dòng)程序完成參數(shù)配置后，需要將SPORT tclkdiv的數(shù)值設(shè)置為4，而串口的發(fā)送始終應(yīng)為12MHZ，當(dāng)嵌入式系統(tǒng)在觸發(fā)CONVST模塊后，便可實(shí)現(xiàn)充電樁信息的實(shí)時(shí)控制，整個(gè)軟件開發(fā)的流程可分為：軟件仿真模擬、編寫高級(jí)語言源程序、編寫匯編語言源程序、經(jīng)過匯編器與編譯器生成目標(biāo)文件、通過鏈接器輸入可執(zhí)行文件、經(jīng)過調(diào)試器完成軟件模擬仿真以及格式轉(zhuǎn)換，最終在進(jìn)行固化程序的寫入后嵌入目標(biāo)系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)調(diào)試

為了確保本次設(shè)計(jì)的基于STM32的智能充電樁嵌入式控制系統(tǒng)能夠具有良好的安全性、穩(wěn)定性與可行性，需要在設(shè)計(jì)完成后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)式與功能試驗(yàn)。首先要在嵌入式環(huán)境下，構(gòu)建開發(fā)編譯環(huán)境，并在充電樁控制程序中進(jìn)行編譯工作，借助WIN32函數(shù)進(jìn)行控制信息的輸入與輸出，同時(shí)適當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)參數(shù)的調(diào)整與調(diào)度。其次，在用戶界面要將參數(shù)輸入與信息儲(chǔ)存劃入在內(nèi)，利用VCIDE與DRIVERSTUDIO編寫相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序。再次，要利用API函數(shù)打開對(duì)應(yīng)設(shè)備，借助DSP的地址線作為編譯器的輸入端，并實(shí)現(xiàn)充電樁的嵌入式控制，獲取所需的控制信息波束，并以此作為測試指標(biāo)，從而得到具體的系統(tǒng)測試結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本次設(shè)計(jì)的充電樁嵌入式控制系統(tǒng)能夠完成穩(wěn)定的波束輸入與輸出，且控制信息的解調(diào)性能良好，可以完成信息的實(shí)時(shí)調(diào)制，能夠達(dá)到提高充電樁控制能力的目的。

結(jié)論：綜上所述，通過對(duì)智能充電樁嵌入式控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)環(huán)境進(jìn)行分析討論，提出具體的硬件設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)方法，從而達(dá)到提高充電控制效果的目的，優(yōu)化傳感器模塊、時(shí)鐘電路、主控系統(tǒng)等設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的解調(diào)與調(diào)制能力的強(qiáng)化，保證控制具有較高的穩(wěn)定性。