基于CAN總線的直流充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計

葛笑寒

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南三門峽472000）

現(xiàn)場總線以智能控制、計算機(jī)、數(shù)字通信等技術(shù)為主要內(nèi)容，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于過程自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備中[1]。CAN總線是Controller Area Network的簡稱。它最早由BOSCH公司提出，用來實現(xiàn)汽車內(nèi)部測量及執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信，它作為一種工業(yè)界的流行總線廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等各個行業(yè)中[2]。該總線具有高速、遠(yuǎn)距離、多負(fù)載的優(yōu)越性，可以實現(xiàn)1Mbps的傳輸速率，傳輸距離可達(dá)10KM，最多可以掛接110個設(shè)備。目前大多充電設(shè)備都采用以太網(wǎng)作為核心管理網(wǎng)絡(luò)、CAN總線做為現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)體系。

1. CAN總線介紹

1.1 CAN總線的特點

CAN總線可以實現(xiàn)多主工作，任一節(jié)點任意時刻均能夠向其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，容易實現(xiàn)多級系統(tǒng)。CAN能夠?qū)崿F(xiàn)一點對多點及全局廣播方式交換數(shù)據(jù)。工業(yè)中一般使用同軸電纜、雙絞線或者光纖作為通信介質(zhì)，通信距離可達(dá)10KM，通信速度最高達(dá)1Mb/s。而CAN連接的節(jié)點數(shù)取決于驅(qū)動電路。CAN節(jié)點安全性好，能夠在嚴(yán)重錯誤時，自動關(guān)閉輸出，使得總線上的其他設(shè)備不受影響，且接口簡單易編程，很方便構(gòu)成用戶系統(tǒng)。CAN總線使用非破壞性仲裁方案，當(dāng)多個節(jié)點同時傳送信息時，高優(yōu)先級的節(jié)點優(yōu)先傳輸，低優(yōu)先級的節(jié)點停止發(fā)送信息。CAN使用短幀結(jié)構(gòu)，耗時短，不易受干擾，每幀信息都有檢錯措施，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

圖1 CAN總線的分層模型

1.2 CAN總線的分層模型

CAN遵從OSI模型，如圖1所示，CAN結(jié)構(gòu)劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。數(shù)據(jù)鏈路層由邏輯鏈路控制和媒體訪問控制層構(gòu)成，邏輯鏈路層的作用主要是幀接收濾波，超載通告和恢復(fù)處理，媒體訪問層主要是即接收和發(fā)送。物理層由物理信令（PLS）、物理媒體附屬裝置（PMA）和媒體相關(guān)接口（MDI）構(gòu)成，主要實現(xiàn)編碼、解碼、總線接發(fā)送信號即定義電氣接口等。

2. 基于CAN總線的控制系統(tǒng)設(shè)計

該控制系統(tǒng)主要由整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)的控制芯片選擇和通信接口設(shè)計三部分構(gòu)成。

2.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

如圖2所示，控制器與計費(fèi)裝置、讀卡裝置等通過RS485通信，而充電接口、電池管理系統(tǒng)和后臺監(jiān)控等通過雙路CAN實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。高速CAN與電池管理系統(tǒng)通信，采集電池的參數(shù)、電壓、電流等信號完成充電機(jī)的充電控制；高速CAN網(wǎng)絡(luò)把充電機(jī)的信息傳送給充電樁，并把信息傳送給后臺；高速CAN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)充電樁和監(jiān)控系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，并獲取啟動、停止等充電指令命令；高速CAN和充電接口通信，防止意外斷開和防止誤操作[3]。

圖2 直流充電系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)控制芯片

根據(jù)控制要求，充電樁智能控制器采用嵌入式工業(yè)控制模塊CPULPC2387。該微控器自身帶有512KB的高速閃存和128位的存儲接口，支持32位代碼在高速下運(yùn)行，具有4個UART、2路CAN控制通道。該芯片自帶存儲卡和豐富的IO接口，且具有4組計數(shù)器、1個PWM模塊和看門狗定時器等外部設(shè)備。

表1 微處理器資源分配

2.3 .CAN通信接口設(shè)計

2.3.1MAX3050ASA接口芯片

在CAN通信接口電路中，MAX3050ASA是CAN總線的一種接口芯片。它是CAN協(xié)議物理總線和控制器間的接口，能夠給控制器和總線提供多樣的接收功能和發(fā)送功能[4]。MAX3050ASA是MAX3050高速CAN收發(fā)器的子系統(tǒng)。該芯片采用5V電源供電，“RXD”和“TXD”分別為MAX3050ASA的輸入端和輸出端，“S”為接地端；“CANL”是CAN總線的輸入端，“CANH”是輸出端。MAX3050ASA的管腳功能見表2。

表2 MAX3050ASA的管腳功能

其主要特征為：速度高，最高可達(dá)2Mbps；有高速度、斜率控制、待機(jī)和關(guān)機(jī)四種操作模式；具有差動接收器，可以屏蔽電磁干擾；具有控制超時和引腳保護(hù)功能。

2.3.2CAN通信接口電路設(shè)計

CAN通信電路設(shè)計如圖3所示，LPC2387的P1.0端口經(jīng)光電耦合器6N137與MAX3050ASA芯片的發(fā)送數(shù)據(jù)輸入端“D”相連，實現(xiàn)輸出驅(qū)動器信號的采集功能；P1.0端口經(jīng)光電耦合器后與MAX3050ASA的接收數(shù)據(jù)端“R”相連，實現(xiàn)驅(qū)動器輸入信號的接收。“CANH”和“CANL”引腳用來采集CAN高電平和低電平輸出，MAX3050ASA采用+5V電源供電。本系統(tǒng)采用兩路CAN和后臺通信，另外一路電路結(jié)構(gòu)和該電路相同，只是發(fā)送數(shù)據(jù)輸入端“D”端和接收數(shù)據(jù)“R”端分別經(jīng)過光耦隔離后與微處理器另外一路CAN口連接。

圖3 CAN通信接口原理圖

3. 基于CAN總線直流充電協(xié)議制定

3.1 .術(shù)語定義

（1）主站：處于一個監(jiān)控子網(wǎng)的中心，本處特指充電柱。

（2）數(shù)據(jù)單元（PDU）：一種特定的CAN數(shù)據(jù)幀格式。

（3）數(shù)據(jù)單元格式（PF）：一個8位數(shù)據(jù)域，用來識別協(xié)議中的數(shù)據(jù)格式，并且作為參數(shù)組的標(biāo)號。

（4）特定數(shù)據(jù)單元（PS）：一個8位數(shù)據(jù)域，受PF的值制約。該域代表了目標(biāo)地址（DA）或者組擴(kuò)展（GE）。

3.2 協(xié)議幀定義

應(yīng)用CAN總線的擴(kuò)展報文，并重新定義29位標(biāo)識符。在29位標(biāo)識符中，一共有8個優(yōu)先級，每個優(yōu)先級為3位。數(shù)據(jù)類型主要由P（數(shù)據(jù)優(yōu)先級）、R（保留位）、DP（頁碼）、PF（PDU格式位）、PS（特定 PDU位)、SA(源地址)和DATA(數(shù)據(jù)域)構(gòu)成。其中DP和R都為0，另外，報文代碼、目標(biāo)地址和發(fā)送報文源地址分別由8位PF、PS、SA實現(xiàn)。接入CAN網(wǎng)絡(luò)的任何節(jié)點都由名稱和地址構(gòu)成。每個節(jié)點可以有一個或者多個功能，多個節(jié)點也可以有同樣的功能[5]。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信和節(jié)點識別借助名稱和地址實現(xiàn)。數(shù)據(jù)傳輸廣泛采用單播和廣播結(jié)合的方式傳遞。系統(tǒng)通信一般采用節(jié)點和數(shù)據(jù)塊編碼的形式進(jìn)行。

3.3 直流樁充電流程

整個流程包括后臺發(fā)送和接收監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，同時監(jiān)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)后臺控制命令，并接受充電樁返回信息。充電機(jī)發(fā)起的充電流程與后臺發(fā)起的充電流程既相似，又不同。流程設(shè)計時盡量考慮二者的統(tǒng)一。如圖4和5所示。

后臺發(fā)起的控制流程：

圖4 后臺發(fā)起的充電流程圖

充電樁發(fā)起的充電流程

圖5 充電樁發(fā)起的充電流程圖

3.4 直流樁對監(jiān)控之間的通信

3.4.1 直流柜監(jiān)控與充電樁傳輸信息

首先傳遞費(fèi)率信息，充電樁判定沒有費(fèi)率或費(fèi)率不合法時，充電樁向監(jiān)控裝置請求費(fèi)率，轉(zhuǎn)發(fā)給后臺。當(dāng)后臺收到充電樁的費(fèi)率請求時，監(jiān)控裝置下發(fā)費(fèi)率至直流充電樁；當(dāng)充電樁接收到后臺下發(fā)的費(fèi)率時，發(fā)送信息至監(jiān)控裝置作為對后臺的應(yīng)答。其次傳遞后臺控制信息，充電機(jī)接收來自后臺的命令并不直接啟動，充電機(jī)監(jiān)控收到后臺下發(fā)的選擇控制命令后，轉(zhuǎn)發(fā)給充電樁；充電樁將報文首字節(jié)的最高位置清零，轉(zhuǎn)發(fā)給后臺；若充電樁確認(rèn)信息為成功，則做出控制選擇操作，否則不做處理。另外傳遞充電樁控制信息，監(jiān)控裝置收到充電樁選擇命令后，監(jiān)控裝置若能夠執(zhí)行，則將報文首字節(jié)最高位置1，否則將報文首字節(jié)最高位清零，其他信息不變，發(fā)送給充電樁。充電樁發(fā)送執(zhí)行或撤銷命令時，若能夠執(zhí)行，則將報文首字節(jié)最高位置1，若無法執(zhí)行則將報文首字節(jié)最高位清零，其他信息不變，發(fā)送給監(jiān)控裝置。

3.4.2 直流柜監(jiān)控與充電樁傳輸消費(fèi)結(jié)帳信息

用戶刷卡時，直流充電樁向監(jiān)控裝置傳送結(jié)賬信息。當(dāng)監(jiān)控裝置接收到充電樁上送的卡號和充電樁號時回送；當(dāng)啟動充電時，直流充電樁向監(jiān)控裝置上送卡號、交易編號等。當(dāng)監(jiān)控裝置收到信息后將控制信號向直流充電裝傳輸。

3.4.3 在工作過程中直流樁與監(jiān)控的信息交互

充電樁正常工作過程中監(jiān)控信息一直下發(fā)。充電樁狀態(tài)數(shù)據(jù)向監(jiān)控裝置上傳狀態(tài)信息報文。包括充電連接器連接狀態(tài)、充電樁異常等。當(dāng)充電插頭連接時（充電連接信號），BMS正常通信，監(jiān)控系統(tǒng)將BMS狀態(tài)、測量信息發(fā)送給充電樁。包括控制、狀態(tài)、告警信息等。

4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)按照模塊化設(shè)計思想進(jìn)行編寫，包括主程序、CAN初始化程序、CAN發(fā)送數(shù)據(jù)程序、CAN接收數(shù)據(jù)程序等[6]。系統(tǒng)主程序流程設(shè)計如圖6所示，主要包括初始化和主循環(huán)部分。

系統(tǒng)首先上電初始化，開通CAN的緩沖區(qū)，根據(jù)接收的命令碼判斷先處理的信息。根據(jù)定時器中斷，進(jìn)行電壓、電流等信息采集，并計算后通過CAN發(fā)送數(shù)據(jù)；否則CAN中斷，并讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)ID標(biāo)識解析命令。最后返回，進(jìn)行新的數(shù)據(jù)處理。

圖6 主程序流程圖

5. 結(jié)論

對充電樁控制系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，對使用的微處理器和CAN接口轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行選型，并設(shè)計了CAN總線的接口電路。對充電樁的CAN通信協(xié)議制定，定義CAN總線的擴(kuò)展報文，并重新定義29位標(biāo)識符。充電樁能夠發(fā)送和接收后臺監(jiān)控的數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)直流樁與監(jiān)控之間的消費(fèi)和信息交互，也能夠?qū)崿F(xiàn)直流樁和充電接頭及電池管理系統(tǒng)的交互。最后，基于模塊化設(shè)計了CAN總線的程序流程。能夠?qū)崿F(xiàn)充電樁和充電機(jī)及電池管理系統(tǒng)的聯(lián)動運(yùn)行。