基于K60的充电桩集中控制器设计

引言

随着国务院《关于印发节能与新能源汽车产业发展规划(2012一2020年)的通知》(国发(2012)22号)的印发,以及全国各地由于传统汽车造成的空气污染愈发严重,新能源汽车尤其是电动汽车产业会更加快速地发展,而电动汽车充电设施是电动汽车产业推广的前提和基石,完善、高效的能源供给网络是电动汽车普及的关键因素。充电桩灵活分布,具有体积小、安装方便、性价比高,并且可以直接接入220V低压电网的优点,可以方便地放置在街道、居民区、工作区等停车场所。充电桩管理控制系统可分为网络控制后台和充电桩控制系统两部分。网络控制后台常用于对接支付宝、微信和银联等支付平台。充电桩控制系统通常具备充电控制、汽车安全监测、打印支付信息、射频读卡、网络数据传输和人机交互等功能。然而,充电桩多以集群的方式设计,充电区域内常常会集中设置多个充电桩。如果按传统方式每个充电桩配备打印机、射频读卡器、以太网和人机交互模块,充电桩的设备成本和维护成本就会大大提高。因此,可将充电桩可共用的模块进行分离,设计成充电桩集中控制器,并集成打印、射频读卡、网络、触摸屏等功能,可以极大地降低成本。

1系统结构

充电桩集中控制器以K60N512单片机为控制核心,设计了以太网模块、存储模块、电能质量监测模块、RFID(RadiOFrequencyIdentificatiOn)模块、短信模块、人机交互模块等。集中控制器通过485总线可以轮询多个充电桩单元,也可以查询电能质量监测模块上的实时电流、实时电压和实时告警等信息。用户在人机交互界面选择充电桩,接着通过RFID模块或者人机交互界面中的支付二维码实现支付,集中控制器收到支付信息后转发控制指令给充电桩单元,充电桩单元收到指令后执行充电功能。

2控制器

K60N512芯片是KineitS系列中集成度最高的芯片,其特性如下:ARMCOrtex]M4内核,主频高达100MHz:32路DMA供外设和存储器使用,大大提高CPU利用率:10种低功耗模式,包括运行、等待、停止和断电等:512KF1aSh和128KSRAM:集成硬件和软件看门狗,硬件加密电路和CRC电路:33路单路和4路差分的16位AD转换,2路12位DA转换:SD卡主机控制器,6路UART,IIC,IIS,SPI,CAN:USB2.0全速和高速接口,支持OTG:IEEE1588以太网接口,支持MII和RMII通信:工作电压1.71~3.6V,工作温度]40~105℃:多达100路GPIO引脚,同时兼容5V电平。该微控器具有片上资源丰富、功耗低、引脚多等优点。

3模块设计

3.1以太网模块

以太网模块采用W5100模块。W5100模块是韩国WIZnet公司生产的一款多功能的单片网络接口芯片,内部集成有10/100以太网控制器,主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中。其内部集成了全硬件的TCP/IP全硬件协议栈,因此使用该芯片不用考虑操作系统和以太网控制,只需进行简单的套接字编程就可以实现网络通信。系统设计中采用SPI总线接口。W5100的SPI使能信号SPIEN接一个10K上拉电阻到高电平,同时SCS、SC一K、MOSI、MISO分别连接K60的SPI0模块对应引脚,实现地址、数据读写和命令码的传输。

3.2存储模块

W25L128是华邦公司推出的大容量SPIF一ASH产品,容量为128MOit,即16M。该芯片将16M空间分为256块,每块64KB,每块又分为16个扇区,每个扇区4KB。SPIF一ASH划分为多个应用区域,分为系统参数区、充电记录区和系统日志记录区等。系统参数区用于存放系统控制后台的IP地址和端口号、电能质量监测模块访问时间间隔和各个充电桩单元地址等:充电记录区用于存放每次充电的支付金额、充电时长、充电所耗的电能、充电时最大电流等:系统日志记录区用于存放过压报警、欠压报警、过流报警、系统升级记录等。

3.3电能质量监测模块

电能质量监测模块采用了三星医疗电气的DDSK188单相电子式费控电能表,具有电能计量功能以及欠压事件、过压事件、过流事件等异常告警功能,通过485总线与K60控制器连接,通信协议采用《D一/T645一2007多功能电能表通信协议》。K60控制器通过485总线与电能表进行通信,读取智能电表的电能计量信息和事件信息并对其进行处理。

3.4RFlD模块

RFID模块采用复旦微电子股份有限公司生产的FM1702S一芯片。FM1702S一是基于ISO14443标准的非接触读卡机专用芯片。该芯片采用的是0b6u.CMOSEEPROM工艺制造,可支持ISO14443tymeA协议和MIFARE标准的加密算法[5]。芯片内部集成了模拟调制解调电路,因而只需搭接最少量的外围电路就可以工作。FM1702S一芯片支持SPI接口,其数字电路具有TT一和CMOS两种电压工作模式。系统采用IO模拟SPI的方式与FM1702S一芯片进行通信。

3.5短信模块

GPRS模块选用SIMC0M公司的SIM900GSM/GPRS模块,该模块性能稳定,体积小,可以发送SMS短信。该模块是单电源供电,电压范围3.2~4.8v,推荐电压为4V,采用RS-232与K60控制器连接。短信模块主要用于发送支付信息、RFID卡剩余金额提醒、充电完成消息和报警信息等。

3.6人机交互模块

人机交互模块由触摸屏、热敏打印机和按键组成。触摸屏采用800×480分辨率的7寸电阻屏。触摸屏显示驱动控制器采用SSd1963,采用16位数据模式,与K60控制器通过FLExBUS总线的形式连接。触摸屏触摸控制器采用ASS7846,是一种4线阻性触摸屏控制芯片,与K60控制器通过SPI1连接。热敏打印机模块选择FTP-628型号的打印机,该打印机实质上为一种嵌入式设备,包括核心控制器、通信模块、电源模块、热敏打印头及驱动模块。打印机与K60控制器通过RS232连接。

4结语

本文设计的以K60控制器为核心的充电桩集中控制器,将传统的充电桩打印、射频读卡、网络、触摸屏等功能进行分离,单独统一设计成集中控制器,在街道、居民区、工作区等停车场,只需安装一台或者几台集中控制器就可以满足整个区域的付费、打印和网络需求,大大节省了设备、安装和维护成本,对充电桩的研发具有一定的参考意义。