基于stm32的智能充電樁嵌入式控制系統設計

東北林業大學機電工程學院 張 堯

華中科技大學電氣與電子工程學院 朱浩楠

本文將圍繞智能充電樁嵌入式控制系統的總體設計與器件選擇進行分析討論，提出基于stm32的智能充電樁嵌入式控制系統設計的實現方法，并進行相應的系統調試與實驗，根據實際結果可知該系統不僅能保證控制系統具有良好的穩定性，還能確保程序性能可靠。

stm32又稱嵌入式單片機是專門為高性能、低功耗要求設計的ARM處理器內核，而基于其運行原理設計的控制系統能夠實現智能充電樁控制能力的大幅度優化，降低經濟成本的使用，確保開發后的軟件能夠保持良好的兼容性與實用性。為了保證各項設計方法能夠有效運用，首先要對控制系統的整體設計與器件選擇進行深入分析。

1 智能充電樁嵌入式控制系統的總體設計與器件擇選

當前我國將綠色能源的使用作為未來工業發展方向，要求進一步加快電動汽車的研發與制造，充分發揮零污染排放、不會對環境造成破壞、成本支出相對較低、維護工作易于開展的特點。雖然該類型汽車的優勢眾多，但在不斷研發的過程中也出現了充電難題，由于原本的充電樁在結構設計與分布上存在一定不足之處，從而造成電動車的續航能力受到影響，因此優化充電樁的設計勢在必行。充電樁的設計重點在于控制系統的強化，確保充電能力得到大幅度加強。以往的設計方法，主要是要求控制器能夠基于神經網絡，完成相應模塊與程序的控制，以模糊免疫作為節能基礎、積分控制法以及SMITB控制器作為應用內容，雖然該方法能夠實現控制性能的提升，但成本支出過高，適用性較差，難以完成大面積推廣。因此為了確保系統的穩定運行，使各項系統功能得到良好運用，便需要對控制系統的總體結構設計進行完善與提升。

1.1 總體結構設計

首先在設計之前需要對系統的總體結構進行全面了解，明確各項功能指標，使用AD系統預先對充電樁控制系統內的6個通道進行信息采集。當前充電樁控制系統的主要設計部分可分為：軟件設計，是指將主控模塊作為控制核心，而其中的信號檢測模塊組需要由控制電路、信號接入與電源設計三部分組成；硬件設計是指ARM電路板、調理電路、時鐘設計等。具體的控制系統總體設計流程可分為：由供電設置向AD采集系統供電，完成電流、電壓、差壓傳感器與調理電路的有效連接，實現與嵌入式ARM主控板間的信號傳遞與數據傳輸。其次要依照總體設計架構，完成功能指標分析，控制系統的輸入電壓范圍通常為：+/-220V和+/-360V，可以維持600khz的連續工作，并且最高采樣速率在300khz左右，能夠將CACHE與4路組有機結合，具有低能耗的優勢，可以支持異步存儲器。而系統的穩壓功耗為150mw，包含CAN2.0接口。

1.2 建立開發環境

通過對以上設計框架與功能指標進行深入分析，明確模塊化設計的內容，可知系統設計所使用的低功耗ARM控制器可以作為控制系統的控制器。該系統的設計環境要以LINUX作為運行平臺，利用8位與16位控制器完成控制系統軟件程序的開發與實現，可以在用戶終端上保證充電樁復雜功能的有效應用。同時軟件系統的開發環境通常以交叉編譯為主，是指開發環境理應安裝在服務器系統當中，所開發出的相應系統也應在嵌入式計算機中完成運行。在建立開發環境過程中可將CHANVECTOUR作為采集通道列表，FS當作采樣頻率，并借助外部存儲器完成執行程序加載、從ROM內啟動執行程序，從而引導裝載模式的運行，使控制系統的目標板與宿主機能夠使用網線、USB進行連接。

在操作系統選擇上則需以LINUX為主，需要在WINDOWS系統中安裝CYGWIN，并將提前編譯好的數據傳送到系統當中，之后由控制系統進行PC環境的模擬，確保LINUX中的各項編譯器可以完成二級制代碼的GCC編譯實現。而充電樁內的控制系統AD采集模塊則主要由信號調理與芯片采集兩部分組成，主要通過32KB的SHRM與BANK完成數據參數的存儲，而采集芯片則主要負責控制信息與模擬信號的轉換，使其成為能夠被系統識別的數字信號，再傳遞到主控系統中完成數字處理。主控系統是整個充電樁控制系統的核心部分，能夠借助STM32的嵌入方法完成相應設計，要求在客戶端控制面板中構建聯合CACHE，并采用定時器進行電動車的智能充電。

2 基于stm32的智能充電樁嵌入式控制系統設計的實現方法

2.1 硬件設計

基于stm32的智能充電樁嵌入式控制系統的硬件設計主要可分為以下四大部分：第一，傳感器模塊，主要是對充電信息以及相應數據參數完成收集與檢測，通過看門狗、低電壓兩種復位方式建立信號傳感器，并對充電樁的控制信息進行在線檢測，同時要使用PPI外設接口設置傳感器模塊，要求結構組成采用半雙工形式，能夠支持立體聲道的AD數據采集。并且該模塊的結構方式要保證為串行，能夠與STM32宿機完成連接，使用雙路電流輸出實現D/A轉換，確保最大輸入輸出為16位的數據信息。再與AD轉換器收集的控制信息有效結合，從而得到傳感器模塊接口電路分布狀況；第二，RTC模塊電路，是指能夠實現控制信息的濾波、檢測等調理功能，需使用ARM芯片完成LCD控制器的構建。由于STM32本身的控制時間順序比較混亂與繁雜，而且晶振內產生的信號會在一定程度上影響采集信息的精確度，因此為了避免此類現象發生，需要提高控制系統電路的穩定性，采用RGB信號輸出模型完成信號的實時檢測與濾波，根據實際需要完成控制時鐘的及時中斷；第三，時鐘電路，用于數字信息的處理，屬于控制系統內的核心模塊，需要使用源晶振完成電路設計。第四，STMA32的主控模塊需要采用嵌入式技術進行設計，其主要數據參數如下：輸入電壓，14+/-0.3或12+/-8 V；AD轉化器采樣通道：8通道，同步與異步輸入；I/O電壓：24V；采樣時鐘：高于150 HZ。

2.2 軟件開發

在有效完成硬件設計的前提下，需要以STM32的充電樁控制系統軟件開發作為實現基礎。該系統的軟件設計平臺為ARMcortex，能夠支持多種控制芯片，通過嵌入式系統設計技術可以對控制系統內的電路與模塊完成參量的初始化設置。而在軟件開發過程中，要優先完成系統的初始化，借助對話框的形式進行同步串口的初始化，要求輸出窗口能夠顯示編譯過程，再利用C++進行程序的編寫，并在CAN串口上實現地址與標號斷點的布置。同時在嵌入式系統當中要進一步開發控制系統的LINUX內核以及程序軟件，通過存儲器進行管理，確保系統啟動與遠程控制功能可以順利使用，使用simulatour以及VISUAL準確判定數組與變量所占的空間大小，再結合處理器完成程序編譯工作，要求能夠采用CPIO完成SPI的模擬，由控制信息檢測儀測定時鐘信號，分析程序代碼，并通過接口配置PPIDE運行模式、數據寬度以及信號極性，保證GPIO管腳的程序配置有序完成。最后通過驅動程序完成參數配置后，需要將SPORT tclkdiv的數值設置為4，而串口的發送始終應為12MHZ，當嵌入式系統在觸發CONVST模塊后，便可實現充電樁信息的實時控制，整個軟件開發的流程可分為：軟件仿真模擬、編寫高級語言源程序、編寫匯編語言源程序、經過匯編器與編譯器生成目標文件、通過鏈接器輸入可執行文件、經過調試器完成軟件模擬仿真以及格式轉換，最終在進行固化程序的寫入后嵌入目標系統。

3 系統調試

為了確保本次設計的基于STM32的智能充電樁嵌入式控制系統能夠具有良好的安全性、穩定性與可行性，需要在設計完成后對系統進行相應的調式與功能試驗。首先要在嵌入式環境下，構建開發編譯環境，并在充電樁控制程序中進行編譯工作，借助WIN32函數進行控制信息的輸入與輸出，同時適當進行數據參數的調整與調度。其次，在用戶界面要將參數輸入與信息儲存劃入在內，利用VCIDE與DRIVERSTUDIO編寫相關驅動程序。再次，要利用API函數打開對應設備，借助DSP的地址線作為編譯器的輸入端，并實現充電樁的嵌入式控制，獲取所需的控制信息波束，并以此作為測試指標，從而得到具體的系統測試結果。根據實驗數據可知，本次設計的充電樁嵌入式控制系統能夠完成穩定的波束輸入與輸出，且控制信息的解調性能良好，可以完成信息的實時調制，能夠達到提高充電樁控制能力的目的。

結論：綜上所述，通過對智能充電樁嵌入式控制系統的總體結構設計與開發環境進行分析討論，提出具體的硬件設計與軟件開發方法，從而達到提高充電控制效果的目的，優化傳感器模塊、時鐘電路、主控系統等設計方法，實現控制數據的解調與調制能力的強化，保證控制具有較高的穩定性。