基于CAN通信的充电桩集成监控系统设计

韩 辉，汤春球，莫易敏，王 达，蒋亚华

(武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)

电动汽车是新能源汽车注重发展的一个重要方向，近几年我国出台了多项政策，大力支持电动汽车的发展。电动汽车的使用离不开充电桩的支持，电动汽车的快速普及也促使充电桩的安装数量大幅增长。如此多的充电桩，必须配备完善的监控系统，才能保证充电桩的安全运行，同时也便于维护人员对充电桩管理。

目前工程上对于分散设备的集中监控大多采用CAN(controller area network)总线通信的方式。CAN总线最早应用于汽车总线，后来经过一系列的改进和发展，目前已经是一种具有国际性标准的串行总线。CAN总线具有抗干扰性好、实时性好、通信速率快，通信可靠性强等许多优良特性，非常适合于充电桩的集中监控设计。

1 系统总体方案

1.1 充电桩控制系统硬件组成

充电桩大致可分为两类，一类是直流充电桩，一类是交流充电桩。直流充电桩充电电流大，充电时间短，但对电池的损害较大；交流充电桩采用小电流充电，充电时间长，对电池的损害较小[1]。充电桩控制系统的硬件组成主要包括主控制器、触摸屏、存储模块、IC读卡器、传感器芯片、智能电表以及通信模块。主控制器用于控制充电桩的启动、停止、数据处理和对外通信；触摸屏作为人机交互界面，显示充电桩的运行信息；读卡器用于实现IC卡付费功能；存储模块用于存储用户信息和充电桩运行参数；传感器芯片和智能电表用于采集充电桩的电压、电流和电量等数据；通信模块负责读取其他元件数据以及与上位机通信[2]。

1.2 充电桩CAN组网形式

充电桩的CAN总线网络采用总线型拓扑，如图1所示。CAN总线的双绞线构成单一信道，所有节点都接入这条公共信道，理论上任意一个节点都可以接收总线上的数据。为了避免对不需要的数据进行解析，CAN节点可对报文标识符进行过滤，只接收特定标识符的报文。在总线首尾两端各接入一个120 Ω的终端电阻，目的是减少总线上信号反射，从而提高信号传输的稳定性[3]。

图1 CAN网络的拓扑结构

2 充电桩主控制系统的设计

2.1 系统结构功能框图

充电桩采用STM32F103ZET6芯片作为主控制器。该芯片基于ARM Cortex-M3内核设计，内置64 kB SRAM和512 kB FLASH，可支持大量代码的编写，运行速度快，带有112个IO接口，84个中断，可实现复杂的中断嵌套，此外还支持I2C、SPI、USART、RS484、CAN等多种总线[4]。

主控制芯片与各个模块之间采用的串行总线进行通信，其中主控芯片和智能电表以及人机交互模块之间的通信采用RS～485总线，这种总线拥有较强的抗电磁干扰性能，可有效提高数据传输的稳定性和准确性；与读卡器模块之间采用RS～232总线通信；与传感器模块则直接连接芯片的AD模块。主控制系统结构框图如图2所示。

图2 主控制系统结构框图

2.2 主控制系统硬件电路设计

STM32F103ZET6芯片带有RS232、RS485、CAN等总线接口，但是芯片的输出电平是TTL电平，并不满足总线通信的电平标准，因而需要外接芯片作为通信收发芯片[5]。CAN通信外接芯片采用TJA1050芯片。该芯片性能优良，传输速度快，可靠性高，抗干扰能力强，优化了CAN-H和CAN-L之间的耦合，大幅降低了电磁辐射。具体的CAN总线通信接口电路如图3所示。

图3 TJA1050芯片接口电路图

此外RS232总线和RS485总线的外接芯片分别为SP3232和SP3485，接口电路图如图4所示和图5所示。

图4 SP3232芯片接口电路图

图5 SP3485总线接口电路图

2.3 主程序控制流程

由于STM32F103ZET6芯片不带有操作系统，因而所有的数据获取和处理都是通过主循环和中断来实现的。主循环是一个while(1)的无限循环，不断轮询各个模块的数据；中断则主要处理数据的发送和充电桩状态的变更。系统运行的流程是先初始化、系统自检，自检成功后进入待机状态。当有用户刷卡时，判断磁卡是否有效，若有效则进入人机交互界面，提示用户完成充电插头连接工作，而充电桩也是通过检测插头上的CC信号来判断连接是否正常。连接成功后提示用户选择充电模式，然后再根据模式的不同判断磁卡余额是否满足充电需求，若余额不足则跳转充值界面，余额充足则开始充电。主控制系统主循环流程如图6所示。此外，定时器中断程序每隔1 s执行一次，将充电桩的实时数据和故障报警信息打包，通过CAN总线发送到上位机。

图6 系统主程序流程图

3 CAN通信设计

3.1 CAN 2.0B通信协议

本系统采用CAN 2.0B协议，他是一种基础的底层协议。该协议有两种格式,分别为标准帧格式和扩展帧格式。标准帧含有11位标识符，扩展帧含有29位标识符，二者主要的区别是ID的长度上不一样，能够扩展的CAN节点数也不一样[6]。由于停车场充电桩的数量有限，因而本系统采用CAN 2.0B的标准帧格式。标准帧的报文传输有4种不同的帧类型，分别为数据帧、远程帧、错误帧和过载帧，其中数据帧使用最为广泛，本系统也只需要使用数据帧。

通信的方式为从机主动向上位机发送数据，上位机不向从机发送查询指令，只接收数据。从机发送数据的频率为1 s一次。标准帧11位ID格式如表1所示。

表1 标准帧ID格式

地址位(ID10…ID5，5位)，当主站发送数据时，该段位为接收数据的从站ID；当从站发送数据时该段位为自身设备的ID。读写标志位为0时，表示主站向从站写入数据，为1时表示从站设备发送数据。数据传输波特率设定为100 kbps。

每一帧数据帧后面可以附带8个字节的数据，根据充电桩实际所需要传输的数据制定数据传输格式,帧数据格式如表2所示。输入电压为380 V三相交流电，在传输数据时默认只传输AC相电压；对于交流充电桩而言，输出电压也是三相的，因而也默认传输AC相的输出电压和输出电流。充电桩芯片将获取的真实数据乘以10发送，当上位机接受到数据后再除以10，得到保留一位小数的真实数据，分辨率为0.1。

表2 帧数据格式

数据组合方式为：BYTE0-BYTE1，以此类推。其中索引帧号为0X01的BYTE7字节位定义如表3所示。其中1表示故障，0表示正常。

表3 故障报警字节位定义

3.2 CAN通信程序设计

CAN通信程序采用Keil5编写，配合使用ST公司为STM32系列芯片编写的库函数，这些函数已经将芯片的底层操作封装好了，用户使用时只需调用API函数即可[7]。

CAN通信程序设计包括STM芯片自身的GPIO初始化、CAN芯片的初始化、CAN通信参数的配置、CAN数据发送和接受程序，其中CAN参数的配置包括设置波特率和采样点。

在CAN通信参数的配置中，要通过位时序来设置采样点和波特率。采样点和波特率的计算公式如下：

波特率=CAN时钟/((1+CAN_BS1+CAN_BS2)×CAN_Prescaler)

sample=(1+CAN_BS1)/(1+CAN_BS1+CAN_BS2)

CAN_BS1、CAN_BS2表示两个时间段；CAN_Prescaler为波特率分频器，二者与晶振频率共同决定波特率的大小。波特率根据CAN网络节点的个数进行配置，节点数越多，波特率应设置越低。而采样点是根据波特率大小来设置的，一般来说采样点随着波特率的提高而靠前，波特率为500 kbps时，采样点应设置为80%左右。

4 上位机软件设计

计算机没有CAN接口，因此需要采用CAN转USB将CAN信号转换为计算机可读取的USB信号。本系统采用的USBCAN-II Pro分析仪，该分析仪支持两路CAN同时收发数据，支持多种CAN协议，且USB、CAN1、CAN2完全隔离，互不干扰。该分析仪提供了各种主流开发平台的驱动接口。当分析仪接收到CAN网络的数据时，保存在R-Buffer缓冲区，上位机程序调用分析仪的接口函数，请求查询接收，分析仪则将缓冲区数据发送到USB接口。如图7所示，上位机软件主要由以下4个部分组成：

(1)充电实时监控。该部分作为上位机主界面，可以实时显示各充电桩的状态和基本参数。

(2)历史充电数据记录。充电桩每一次充电记录和故障记录都会存储下来，便于后期查询分析。

(3)电能质量管理。获取充电桩在充电过程中电压、电流值数据，并绘制图表，以实现对电能质量的分析。

(4)用户管理。监控软件需要登录账户才可以使用，实现用户的权限管理。

图7 上位机监控界面

5 结论

针对数量多且分散的充电桩，设计了一种监控系统，对充电桩所要实现的功能进行了分析。确定充电桩的主控芯片和相关模块，并且提炼出充电桩与上位机通信的具体内容，根据此内容设计出充电桩与上位机之间的CAN通信协议，编写上位机监控界面。本系统采用CAN总线实现对充电桩的集成监控，设计简单方便，性能稳定，数据传输快，能很好地满足监控系统对实时性和可靠性的要求。