基于nRF24L01的電動汽車無線充電控制系統設計*

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(鹽城工學院 電氣工程學院，鹽城 224051)

引 言

圖1 電動汽車電磁感應式無線充電系統結構

隨著電動汽車的普及與推廣，對電動汽車充電方式的多樣化和便利性要求越來越高。目前各國電動汽車的充電主要以充電站、充電樁或換電池的模式為主，而電池充電站建設所需的位置、土地和成本成為制約電動汽車發展的最大瓶頸。無線電能傳輸技術(Wireless Power Transmission，WPT)作為一項新興技術，目前已經商業化運作，基于無線電能傳輸的電動汽車充電方式也成為各大汽車廠商及科研機構的研究熱點。與有線充電站等接觸式充電方式相比，無線充電方式可以解決火花、積塵、接觸損耗及機械磨損等一系列問題，同時可以實現停車位自動充電和移動供電。隨著WPT技術的成熟，電動汽車將是無線充電設備領域中最具潛力的市場[1-5]。

1 電動汽車無線充電系統結構

電動汽車無線充電系統的核心部件為非接觸式電能傳輸系統，電磁感應式無線傳輸是利用感應線圈之間的交變電磁場進行的非接觸式電能傳輸，是一種傳輸功率與效率較高，且最易實現的非接觸式電能傳輸方式，也是現階段研究和發展的重點方向。

電動汽車電磁感應式無線充電系統結構如圖1所示。無線充電系統在物理結構上分為地面充電樁和車載充電器兩部分，地面充電樁和車載充電器兩部分之間通過松耦合變壓器的交變磁場實現電能無線傳輸，給電動汽車蓄電池充電。車載電池的充電信息通過無線射頻傳輸方式發送到地面充電樁中，由地面充電樁控制充電的進程。

針對無線充電系統中控制信息的非接觸式傳輸問題，本文利用無線通信芯片nRF24L01設計了無線傳輸電路，完成車載充電器與地面充電樁之間的控制信息無線傳輸。

2 無線充電控制系統組成及電路設計

2.1 無線充電控制系統組成

無線充電控制系統包括車載發送模塊和地面充電樁接收模塊，車載發送模塊檢測充電狀態的變化并實時發送給地面充電樁接收模塊，系統框圖如圖2所示，圖2(a)為車載發送模塊框圖，圖2(b)為地面充電樁接收模塊框圖。

圖2 無線充電控制系統框圖

車載發送模塊采用STC單片機(STC Microcontroller)為控制核心，包括主控制器(Main controller)、無線收發器(Wireless receiver and transmitter)、電壓檢測器(Voltage detector)和顯示器(Monitor)4個單元。檢測器將檢測到的信息送入主控制器中，經過單片機處理，在LCD顯示器上實時顯示出來。主控制器還控制無線收發模塊不斷地發出車載充電器上的信息，以便地面充電樁接收。地面充電樁接收模塊仍采用STC單片機為控制核心，包括主控制器、無線收發器、顯示器和輸出4個單元。主控制器讀取無線收發器上接收到的數據，同樣送給LCD顯示，另一方面，它還控制著輸出單元將反饋信息輸出到整個充電系統的驅動電路。

2.2 控制系統硬件電路設計

根據圖2所示的系統框圖，所設計的無線充電控制系統電路如圖3所示，因車載發送模塊和地面充電樁接收模塊的主控制器電路、顯示電路以及無線收發電路相同，所以圖3所示電路為車載發送模塊和地面充電樁接收模塊的共同電路，其中車載發送模塊與地面充電樁接收模塊的不同之處在于車載發送模塊的主控制器連接了檢測單元(Voltage detector)，而地面充電樁接收模塊的主控制器與輸出單元(Output)相連。

2.2.1 主控制器

圖3中主控制器單元以STC89C52為控制核心，其為STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，它使用經典的MCS-51內核，但進行了很多的改進，使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。在單一芯片內，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統可編程Flash，使得STC89C52可以為眾多嵌入式控制系統提供靈活、有效的解決方案。STC89C52單片機對外共有40根引腳。，其中主電源引腳為VCC(40引腳)和GND(20引腳)，分別接電源的+5 V端和地端。由于晶振電路和復位電路不能集成到單片機中，所以在單片機的外部需要設計晶振電路和復位電路。晶振電路由X1、C2、C3組成，使用12 MHz的石英晶振，電容的典型值為C2=C3=30 pF。復位開關K1，電阻R1、R2和電容C1共同組成復位電路。在運行過程中，按下復位開關K1，電源經電阻R1產生的正脈沖輸入RESET引腳，實現按鍵復位。在晶振頻率為12 MHz時，通常取C1=10 μF，R1=1 kΩ，R2=10 kΩ。

2.2.2 無線收發器

無線收發器采用Nordic公司生產的nRF24L01芯片。nRF24L01是世界通用ISM 頻段的單片無線收發器芯片，采用FSK 調制，內部集成Nordic自己的Enhanced Short Burst 協議。nRF24L01集收發功能于一體，在設計電路時，包括兩塊nRF24L01電路板，通過不同的程序可以控制芯片分別完成接收和發送的功能[6]。

為了方便用戶使用，Nordic公司將nRF24L01芯片的典型外圍電路集成到一塊PCB板上，只留出序號為1～8的控制信號、數據信號及VDD與VSS信號引腳，方便用戶使用單片機進行控制。nRF24L01外圍電路原理如圖4所示。

nRF24L01的SPI讀寫時序如圖5所示。nRF24L01每接收一個SCK脈沖，在低電平時先發送一位數據，在高電平時再接收一位數據，要發送或已經接收到的數據采用在同一個寄存器中順序左移的方式完成先串行輸出，再串行輸入，程序設計要緊密結合讀寫時序編寫。

圖3 無線充電控制系統電路圖

圖4 nRF24L01外圍電路原理圖

2.2.3 電壓檢測器

電壓檢測器(Voltage detector)為車載發送模塊所有，選用美國國家半導體公司生產的8 位分辨率、雙通道A/D轉換芯片ADC0832。ADC0832采用串行通信方式，通過DI 數據輸入端進行通道選擇、數據采集及數據傳送，8位分辨率可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0～5 V之間。其具有雙數據輸出可作為數據校驗，可以減少數據誤差，轉換速度快且穩定性能強。獨立的芯片使能輸入使多器件掛接和處理器控制變得更加方便，ADC0832轉換輸出數值為：

(1)

其中VREF為參考電壓，與電源輸入復用；V為負載側電壓經兩電阻串聯分壓后的采樣信號，由2號引腳即CH0通道輸入。

圖5 nRF24L01讀寫時序

2.2.4 輸出單元

輸出單元(Output unit)為地面充電樁接收模塊所有，選用一塊采樣頻率為8位的D/A轉換芯片DAC0832，它與STC89C52單片機完全兼容。DAC0832由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路及轉換控制電路構成，其D/A轉換結果采用電流形式輸出。若需要相應的模擬電壓信號，可通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器實現，典型應用接法如圖6所示。

圖6 DAC0832典型應用電路

DAC0832邏輯輸入滿足TTL電平，可直接與TTL電路或微機電路連接。當DAC0832芯片的片選信號、寫信號及傳送控制信號的引腳全部接地，允許輸入鎖存信號ILE引腳接+5 V時，DAC0832芯片處于直通工作方式，數字量一旦輸入，就直接進入D/C寄存器，進行D/A轉換。本設計將Vref接Vcc，即5 V電壓，說明該D/A的參考電壓為5 V，其模擬信號輸出一定在D×k×5(單位)內變化(D為數字輸入量，k為一比值，與內部電路有關)。Iout1為該D/A芯片電流輸出端，Iout2+Iout1=常數，該常數約為330 μA，電流非常小。其中關于Iout1和Iout2公式如下：

(2)

(3)

本設計直接將Iout2接地。隨著負載側電壓的增大，反饋給地面充電樁主控電路的電壓亦隨之增加，通過調節占空比減小充電電流。當負載側電壓接近60 V時，即采樣電壓達到5 V時，在LCD顯示器上顯示電量充滿，提示斷開連接。

3 軟件設計

軟件設計必須嚴格按nRF24L01收發時序進行。無線充電控制系統的軟件主要包括車載發送模塊發射程序和地面充電樁模塊接收程序兩部分。發射程序流程如圖7所示，完成對I/O接口、液晶和寄存器的初始化后，首先執行電壓采集程序，然后以循環的方式發送數據。接收程序流程如圖8所示，首先初始化液晶和nRF24L01，并使能DAC芯片，然后循環接收數據。nRF24L01接收數據時，先發送數據，然后檢測對方是否接收到，對方接收到它發送的數據后再開始接收數據，接收過程特別要注意先清空FIFO標志。

圖7 發射程序流程圖

圖8 接收程序流程圖

軟件采用通用性強、使用友好的C語言編寫。為了使程序結構清晰，各子系統程序之間相互解耦，使整套程序具有較強的可移植性和可閱讀性，本設計采用了模塊化的編寫方法。

4 實現與測試

無線充電控制系統樣機如圖9所示，圖9(a)為樣機全貌，圖9(b)中左邊為車載充電模塊顯示器，右邊為地面充電樁顯示器，地面充電樁接收模塊的顯示數據隨車載發送端的數據實時變化，表明所設計的系統可以通過無線方式實現充電進程控制。

對于無線射頻模塊nRF24L01的編程主要是通過命令及控制CE、CSN信號以及中斷信號IRQ共同完成的。對于發射節點，如果使能ACK與IRQ功能，則當通信成功以后，也就是發射節點收到了接收節點送回的ACK信號，IRQ 線會置低。對于接收節點，如果使能ACK與IRQ功能，則當通信成功以后IRQ線會置低。根據以上分析，用示波器測試了車載發送模塊與地面充電樁接收模塊不通信和通信時的SCK和IRQ波形，不通信時的波形如圖10(a)所示，通信成功時的波形如圖10(b)所示。

圖10 測試無線射頻模塊nRF24L01是否通信的波形圖

圖中CH1為IRQ波形，CH2為SCK波形。每次車載發送模塊和地面充電樁接收模塊通信時均收發5次信息，以確保通信成功，因此IRQ中斷請求信號置低5次，IRQ置低是在發送(或接收)完成以后(或是達到最大發射次數)實現的。

結 語