電動汽車充電樁基于CPU卡的消費系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

尹婷婷，朱振軍，林永君

(1.華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071003；2.山東大為電氣有限公司，山東 濰坊 261061)

0 引言

針對面臨進入市場的電動汽車交流充電樁，用戶的計費管理系統(tǒng)處于其運營過程的最前端，因此如何實現(xiàn)計費管理系統(tǒng)的智能化，如何為用戶提供穩(wěn)定便捷的消費充電體驗使得本系統(tǒng)成為充電樁整體設(shè)計中不可忽視的一部分。

在計量計費系統(tǒng)中，用戶消耗的電能采用高精度的電能表計量，其收費過程為滿足簡潔直觀迅速的要求，采用IC卡刷卡式扣費［1］。CPU卡由于具有卡上操作系統(tǒng)COS，被稱為真正的智能卡，較之普通IC卡，具有優(yōu)越的安全性能和拓展能力［2］。

選用的CPU卡符合《中國金融集成電路(IC)卡規(guī)范》，COS系統(tǒng)符合 《中國金融集成電路(IC)卡應(yīng)用規(guī)范》［3］，以便為后期向卡片加入聯(lián)網(wǎng)銀行賬戶功能做準備。

1 充電樁CPU卡消費系統(tǒng)設(shè)計

電動汽車充電樁采用基于ARM架構(gòu)32位微處理器芯片的AT91RM9200主控板作為控制器，搭配嵌入式Linux操作系統(tǒng)實現(xiàn)整樁的控制設(shè)計方案(圖1)，可以滿足對各功能模塊——CPU卡消費應(yīng)用模塊、電能表計量模塊、充電控制模塊、后臺通訊模塊的控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅邆淞己玫目煽啃院蛿U展能力［4］。本文主要研究以此平臺為基礎(chǔ)，通過讀卡器、觸摸顯示屏、打印機，以及消費程序設(shè)計實現(xiàn)充電終端的CPU卡應(yīng)用管理過程。

圖1 電動汽車充電樁控制結(jié)構(gòu)圖

消費過程設(shè)計思路是用戶插入CPU卡，充電樁讀卡程序?qū)ㄆM行識別并顯示出用戶卡號、余額等信息；用戶通過觸摸屏的提示信息輸入密碼并驗證后進入消費操作。充電樁提供多種充電模式供消費者選擇，按時間充電、按電量充電以及自動充滿；充電結(jié)束后，充電樁提供票據(jù)的打印功能，用戶可打印本次充電的用戶信息、具體電量、充電時間、總費用等相關(guān)信息［1，4］。

2 硬件構(gòu)成

2.1 主控單元硬件環(huán)境搭建

為保證系統(tǒng)運行的高可靠性和穩(wěn)定性，在硬件設(shè)計時硬件平臺選擇了英貝德的EAC-0923工控板作為核心控制器，其CPU采用的是Cirrus Logic公司基于ARM9架構(gòu)的EP9315。工控板具有三個 RS232串口，支持2路獨立USB的USBHost，支持最大分辨率1024×768的四線電阻觸摸屏接口，支持10 M/100 M以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。在硬件連接時，核心控制板需要以一個RS232串口連接讀卡模塊，一個RS232串口通過RS232和RS485轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)與電能表的通信，另外一個RS232串口連接充電控制模塊，用一路USB接口與打印機相連接，觸摸屏則通過專用接口連接到主控板上［1］。

2.2 CPU卡應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計

選用的讀卡模塊型號為RDM-IX-MEM，其控制芯片為STC89C55RD+，負責讀寫卡功能的實現(xiàn)。在讀卡模塊上配有芯片MAX3221用于3.3 V的TTL電平向RS232電平的轉(zhuǎn)換，因此可以直接由RS232串口連接到核心控制板上進行數(shù)據(jù)通訊。選用的讀卡模塊能夠?qū)Ψ螴SO7816標準協(xié)議T=0、T=1的CPU卡進行操作，支持Win32下VB、VC、C++以及Linux下C語言的開發(fā)。

在應(yīng)用于充電終端時，通過工控板提供讀卡模塊的工作電源；進行調(diào)試時，可直接由USB口連接到PC機上，由PC機提供其工作電源。

3 軟件實現(xiàn)

3.1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)移植

主控單元選擇了基于ARM9架構(gòu)的EAC0923，在操作系統(tǒng)上選擇嵌入式Linux操作系統(tǒng)，符合國際通用標準，強大的兼容性，先進的網(wǎng)絡(luò)特征，擁有真正的多用戶、多任務(wù)能力；具有動態(tài)鏈接能力，系統(tǒng)性能十分穩(wěn)定，具有靈活的可移植性等，是開源軟件，很容易根據(jù)源代碼修改驅(qū)動程序，添加自己需要的硬件接口模塊。

嵌入式Linux操作系統(tǒng)的移植過程。要運行編寫的刷卡應(yīng)用程序，首先要有完備的編譯調(diào)試環(huán)境。采用裝有REDHAT9.0的PC機作為宿主機進行程序初始開發(fā)，使用交叉編譯的方式進行程序的編譯，在生成可執(zhí)行文件后，通過掛載添加到充電終端的主控制板上［2-3］。

主控板在此之前要進行操作系統(tǒng)的移植，在其Norflash上，首先需要裝載Bootloader、移植內(nèi)核，然后移植自己制作的根文件系統(tǒng)，用以支持上層應(yīng)用程序。應(yīng)用程序使用API(用戶編程接口)函數(shù)負責整個函數(shù)中和串口等各個部分的通信［2］。

3.2 讀卡模塊的功能實現(xiàn)

依據(jù)用戶刷卡消費的實際情況，設(shè)計程序流程圖2所示。

圖2 消費程序流程圖

主程序的部分代碼如下：

void effectiveCard(unsigned char icReadpart［］)∥有效卡響應(yīng)函數(shù)包括：對卡號、金額的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并存儲到dat文件，向人機交互界面程序發(fā)送狀態(tài)信息

由于要通過主控板的串口對讀卡模塊進行數(shù)據(jù)的讀寫，因此要先對其進行配置；包括對波特率的設(shè)定、串口設(shè)備在“/dev”下的初始化定義。功能程序的開發(fā)在虛擬機安裝的Linux系統(tǒng)下進行，在調(diào)試成功后使用交叉編譯器生成可在ARM平臺上執(zhí)行的代碼。需要注意動態(tài)鏈接庫在虛擬機的Linux系統(tǒng)下調(diào)試使用的是基于Win32的版本，因此需要將讀卡模塊函數(shù)庫通過交叉編譯制作成適用于工控板運行的動態(tài)鏈接庫，然后方可進行程序的交叉編譯。

4 CPU卡的操作

CPU卡被稱為真正的智能卡，是因其具有專用的集成電路芯片——MCU(微控制單元)，在控制單元中有程序存儲器ROM、隨機存儲器RAM、EEPROM(用戶存儲器)和CPU，并且在ROM中封裝著芯片操作系統(tǒng) COS(Chip Operate System)［2］。EEPROM存放用戶應(yīng)用數(shù)據(jù)，當讀寫設(shè)備與卡片進行通訊時，只能和卡內(nèi)的CPU進行通訊，數(shù)據(jù)交換是和RAM進行的，無法對EEPROM中的數(shù)據(jù)直接訪問，從而具備了保護用戶數(shù)據(jù)安全的功能［2-3］。憑借 COS的監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲、命令處理、響應(yīng)的實現(xiàn)，CPU卡在性能上比其他普通IC卡有以下特點：首先其存儲空間較大，讀取速度快，支持一卡多用，并且支持DES、3DES加密算法，在安全性上可達到金融級別的安全等級［2］。

CPU卡的核心是芯片操作系統(tǒng)COS(Chip Operate System)，它管理著硬件資源、向用戶提供應(yīng)用接口、應(yīng)用管理功能及增強CPU卡的安全性［3］。COS主要可分為文件管理、通訊管理、安全管理、應(yīng)用管理四部分。

通過對卡上文件系統(tǒng)的設(shè)計管理，自主選擇需要的文件結(jié)構(gòu)、數(shù)目，如應(yīng)用文件DF的個數(shù)，基本數(shù)據(jù)文件EF的設(shè)置等，構(gòu)建符合本應(yīng)用的卡上文件系統(tǒng)。通過對其安全管理功能應(yīng)用，為文件設(shè)置不同的安全權(quán)限，以區(qū)分不同應(yīng)用的安全級別，如密鑰文件的修改可設(shè)置為高權(quán)限，在滿足認證的情況下才能執(zhí)行，防止一般性誤操作，保證各級文件、應(yīng)用的安全［2-3］。CPU卡文件系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

5 結(jié)語

本文給出了采用嵌入式控制器在顧客刷卡消費應(yīng)用下的設(shè)計方案，以及選用CPU卡的應(yīng)用程序設(shè)計思路并實現(xiàn)。為充電終端的消費應(yīng)用功能提供了具有較高穩(wěn)定性和可靠性軟硬件平臺，能適應(yīng)新能源電動汽車充電需求，滿足消費者對完善的充電體驗的要求。

圖3 卡片文件系統(tǒng)圖