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基于STM32的电动汽车快速充电机监控终端的设计.docx
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1、键入文字西南科技大学本科生毕业论文VII基于STM32的电动汽车快速充电机监控终端的设计摘要:随着物联网时代的到来,实现对快速充电机的智能远程管理,其监控终端的设计是其中的关键技术。结合单片机STM32和实时操作系统C/OS-,介绍了快速充电机监控终端的整体设计方案,研究了大功率充电机CAN总线及GPRS数据发送的协议制定及软件设计方法,并对GPRS流量费用进行了经济性分析。结果表明该监控终端保证监控网络工作稳定,实现对充电机的运行状态的监测及其远程管理。随着全球能源危机的不断加深,石油资源的日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧,各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展
2、的方向,发展电动汽车将是解决这两个难题的最佳途径。我国高度重视电动汽车的发展,国家相继出台了一系列标准来扶持和规范电动汽车的发展。但要实现电动汽车大面积普及我国还有很长的路要走,需要解决的问题还有很多。关键词:STM32;电动汽车;发展The design of electric vehicle fast charger monitoring terminal based on STM32Abstract:With the advent of the era of Internet of things, to achieve quick charger of intelligent remot
3、e management, the monitoring terminal design is one of the key technologies. Combined with the STM32 MCU and real-time operating system UCOS II, the overall design scheme of fast charger monitoring terminal is introduced in this paper, to study the high power charger can bus and GPRS data transmissi
4、on protocol and the design method of software, and analyzes the economy of GPRS traffic charges. The results show that the terminal to ensure monitoring network is stable and the running state of the charger monitoring and remote management. With the global energy crisis deepening, petroleum resourc
5、es increasingly depleted and atmospheric pollution, the dangers of global warming intensifies, governments and automobile enterprises generally realized energy saving and emission reduction is the future direction of the development of automobile technology, the development of electric vehicles will
6、 be the best way to solve the two problems. China attaches great importance to the development of electric vehicles, the state has issued a series of standards to support and regulate the development of electric vehicles. But to achieve a large area of electric cars popular in our country still has
7、a long way to go, there are a lot of problems need to be solved.Keywords: STM32; Electric Vehicle;Development目录摘要4Abstract5引言1第一章 监控网络的整体方案2第二章 监控终端功能模块32.1监控终端的总体设计32.1.1 SMT32介绍42.1.2 MC52i介绍82.1.3 SE880介绍82.2 CAN总线模块92.3数据发送模块11第三章 交流充电桩系统方案133.1电动汽车交流充电桩介绍133.2交流充电桩系统工作原理133.3交流充电桩系统方案143.4控制系统单
8、元电路153.4.1主控制器选择153.4.2 RS485介绍163.4.3串行接口电路173.4.3总线接口电路183.4.4充电电压测量电路183.4.5 控制导引电路183.5桩体电气部分设计193.6 软件设计20第四章 C/OS-的多任务管理224.1C/OS-的多任务管理介绍224.2 ZWG-23A模块的配置234.3组网方案254.4 数据传输26第五章 测试及结果29结论31主要参考文献32致谢3435西南科技大学本科生毕业论文引言随着国家对新能源技术的大力扶持,电动汽车逐渐成为国家在新能源汽车产业大力发展的对象,而电动汽车充电站、快速充电机是电动汽车大规模化后不可或缺的服务
9、基础设施之一。大量分布于各住宅小区、停车场的电动汽车用非车载智能快速充电机,实现高效、安全、智能化的管理必定成为主流。针对目前快速充电机群实行无人值守的运行情况,这就要求快速充电机须具有较高的可靠性和自动化程度,功能更加完善,可远程维护等功能。这样,使得分布式、模块化、智能化成为快速充电机的发展方向,而高性能、低成本的充电机监控终端是其中的关键技术。为管理区域多台充电机的资源优化利用与管理的智能化,监控终端与Internet网的交互成为一种必然。第一章 监控网络的整体方案图1.1是充电机的监控网络结构图所示,监控终端作为充电机与监控中心之间的一个重要网关。其有效的通信链路有:监控中心-监控终端
10、;监控终端-充电机(或电池管理系统(BMS)、电动汽车等)。图1.1 充电机监控网络结构图通过监控终端作为媒介,实现了监控中心与充电机及电动汽车的通信链路的建立。终端通过CAN网络与充电机、BMS及电动汽车等相互通信,采集相关节点的数据信息并存储,并将相关信息反馈给充电机。充电机根据相关信息从而实现电动汽车电池的智能充电。终端与监控中心之间是通过GPRS连接通信,终端将充电机、电池、电动汽车等相关数据传回监控中心,监控中心实现对充电机的远程控制和实时监控功能,记录充电机的运行及故障情况。车主可以由监控中心查询了解当前空闲的充电机位置,实现资源充分利用。第二章 监控终端功能模块2.1监控终端的总
11、体设计监控终端是连接监控中心与充电机的桥梁。其总体设计结构如图2.1所示,监控终端主要由Cortex-M3内核的STM32ZGT6的核心模块、数据采集模块(CAN网络)、用户计费交互信息模块、数据存储模块、实时时钟模块和GPRS通信模块6个部分所组成。终端采用Co-tex-M3内核的STM32ZGT6微处理器芯片。该单片机具有丰富的片上硬件资源,内含CAN 2.0B的控制器,以及多达4个串口,满足终端CAN与GPRS网络接口的需求。图2.1监控终端的结构框图为了减少系统的复杂性,摄像头只支持拍照功能,GPS为系统提供定位信息;G-Sensor是重力传感器为触发拍照提供触发信号;TF卡作为本地存
12、储介质可以大大减小存储器的体积同时又可以提供大容量存储空间;GPRS模块作为本终端使用的无线传输模块负责和控制中心通讯,既可以把照片数据和位置信息上传到控制中心,又可以从控制中心接收指令,进行远程控制摄像头立刻拍照上传;USB、Device接口与电脑通讯,可以把TF卡虚拟成U盘,从而可以方便的通过电脑直接搜索、查看和拷贝本地的备份照片。2.1.1 SMT32介绍在STM32F105和STM32F107互连型系列微控制器之前,意法半导体已经推出STM32基本型系列、增强型系列、USB基本型系列、互补型系列;新系列产品沿用增强型系列的72MHz处理频率。内存包括64KB到256KB闪存和 20KB
13、到64KB嵌入式SRAM。新系列采用LQFP64、LQFP100和LFBGA100三种封装,不同的封装保持引脚排列一致性,结合STM32平台的设计理念,开发人员通过选择产品可重新优化功能、存储器、性能和引脚数量,以最小的硬件变化来满足个性化的应用需求。SMT32特点: 内核:ARM32位Cortex-M3 CPU,最高工作频率72MHz,1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。存储器:片上集成32-512KB的Flash存储器。6-64KB的SRAM存储器。时钟、复位和电源管理:2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。上电复位(POR)、掉电复位(PDR)和可编程的电压探测
14、器(PVD)。4-16MHz的晶振。内嵌出厂前调校的8MHz RC振荡电路。内部40 kHz的RC振荡电路。用于CPU时钟的PLL。带校准用于RTC的32kHz的晶振。低功耗:3种低功耗模式:休眠,停止,待机模式。为RTC和备份寄存器供电的VBAT。调试模式:串行调试(SWD)和JTAG接口。DMA:12通道DMA控制器。支持的外设:定时器,ADC,DAC,SPI,IIC和UART。3个12位的us级的A/D转换器(16通道):A/D测量范围:0-3.6V。双采样和保持能力。片上集成一个温度传感器。2通道12位D/A转换器:STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE
15、独有。最多高达112个的快速I/O端口:根据型号的不同,有26,37,51,80,和112的I/O端口,所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。除了模拟输入,所有的都可以接受5V以内的输入。最多多达11个定时器:4个16位定时器,每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器。2个16位的6通道高级控制定时器:最多6个通道可用于PWM输出。2个看门狗定时器(独立看门狗和窗口看门狗)。Systick定时器:24位倒计数器。2个16位基本定时器用于驱动DAC。最多多达13个通信接口:2个IIC接口(SMBus/PMBus)。5个USART接口(ISO7816接口,LIN,IrDA兼容,调试控制
16、)。3个SPI接口(18 Mbit/s),两个和IIS复用。CAN接口(2.0B)。USB 2.0全速接口。SDIO接口。ECOPACK封装:STM32F103xx系列微控制器采用ECOPACK封装形式。SMT32系统作用1、集成嵌入式Flash和SRAM存储器的ARM Cortex-M3内核。和8/16位设备相比,ARM Cortex-M3 32位RISC处理器提供了更高的代码效率。STM32F103xx微控制器带有一个嵌入式的ARM核,所以可以兼容所有的ARM工具和软件。2、嵌入式Flash存储器和RAM存储器:内置多达512KB的嵌入式Flash,可用于存储程序和数据。多达64KB的嵌入
17、式SRAM可以以CPU的时钟速度进行读写(不待等待状态)。3、可变静态存储器(FSMC):FSMC嵌入在可变静态存储器(FSMC):FSMC嵌入在STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE中,带有4个片选,支持四种模式:Flash,RAM,PSRAM,NOR和NAND。3个FSMC中断线经过OR后连接到NVIC。没有读/写FIFO,除PCCARD之外,代码都是从外部存储器执行,不支持Boot,目标频率等于SYSCLK/2,所以当系统时钟是72MHz时,外部访问按照36MHz进行。4、嵌套矢量中断控制器(NVIC):可以处理43个可屏蔽中断通道(不包括Cortex-M
18、3的16根中断线),提供16个中断优先级。紧密耦合的NVIC实现了更低的中断处理延迟,直接向内核传递中断入口向量表地址,紧密耦合的NVIC内核接口,允许中断提前处理,对后到的更高优先级的中断进行处理,支持尾链,自动保存处理器状态,中断入口在中断退出时自动恢复,不需要指令干预。5、外部中断/事件控制器(EXTI):外部中断/事件控制器由用于19条产生中断/事件请求的边沿探测器线组成。每条线可以被单独配置用于选择触发事件(上升沿,下降沿,或者两者都可以),也可以被单独屏蔽。有一个挂起寄存器来维护中断请求的状态。当外部线上出现长度超过内部APB2时钟周期的脉冲时,EXTI能够探测到。多达112个GP
19、IO连接到16个外部中断线。6、时钟和启动:在启动的时候还是要进行系统时钟选择,但复位的时候内部8MHz的晶振被选用作CPU时钟。可以选择一个外部的4-16MHz的时钟,并且会被监视来判定是否成功。在这期间,控制器被禁止并且软件中断管理也随后被禁止。同时,如果有需要(例如碰到一个间接使用的晶振失败),PLL时钟的中断管理完全可用。多个预比较器可以用于配置AHB频率,包括高速APB(PB2)和低速APB(APB1),高速APB最高的频率为72MHz,低速APB最高的频率为36MHz。7、Boot模式:在启动的时候,Boot引脚被用来在3种Boot选项种选择一种:从用户Flash导入,从系统存储器
20、导入,从SRAM导入。Boot导入程序位于系统存储器,用于通过USART1重新对Flash存储器编程。8、电源供电方案:VDD ,电压范围为2.0V-3.6V,外部电源通过VDD引脚提供,用于I/O和内部调压器。VSSA和VDDA,电压范围为2.0-3.6V,外部模拟电压输入,用于ADC,复位模块,RC和PLL,在VDD范围之内(ADC被限制在2.4V),VSSA和VDDA必须相应连接到VSS和VDD。VBAT,电压范围为1.8-3.6V,当VDD无效时为RTC,外部32KHz晶振和备份寄存器供电(通过电源切换实现)。9、电源管理:设备有一个完整的上电复位(POR)和掉电复位(PDR)电路。这
21、条电路一直有效,用于确保从2V启动或者掉到2V的时候进行一些必要的操作。当VDD低于一个特定的下限VPOR/PDR时,不需要外部复位电路,设备也可以保持在复位模式。设备特有一个嵌入的可编程电压探测器(PVD),PVD用于检测VDD,并且和VPVD限值比较,当VDD低于VPVD或者VDD大于VPVD时会产生一个中断。中断服务程序可以产生一个警告信息或者将MCU置为一个安全状态。PVD由软件使能。10、电压调节:调压器有3种运行模式:主(MR),低功耗(LPR)和掉电。MR用在传统意义上的调节模式(运行模式),LPR用在停止模式,掉电用在待机模式:调压器输出为高阻,核心电路掉电,包括零消耗(寄存器
22、和SRAM的内容不会丢失)。11、低功耗模式:STM32F103xx支持3种低功耗模式,从而在低功耗,短启动时间和可用唤醒源之间达到一个最好的平衡点。休眠模式:只有CPU停止工作,所有外设继续运行,在中断/事件发生时唤醒CPU;停止模式:允许以最小的功耗来保持SRAM和寄存器的内容。1.8V区域的时钟都停止,PLL,HSI和HSE RC振荡器被禁能,调压器也被置为正常或者低功耗模式。设备可以通过外部中断线从停止模式唤醒。外部中断源可以使16个外部中断线之一,PVD输出或者TRC警告。待机模式:追求最少的功耗,内部调压器被关闭,这样1.8V区域断电。PLL,HSI和HSE RC振荡器也被关闭。在
23、进入待机模式之后,除了备份寄存器和待机电路,SRAM和寄存器的内容也会丢失。当外部复位(NRST引脚),IWDG复位,WKUP引脚出现上升沿或者TRC警告发生时,设备退出待机模式。进入停止模式或者待机模式时,TRC,IWDG和相关的时钟源不会停止。本设计采用的STM32103VET6为ST公司的增强型Cortex-M3内核系列单片机,最高允许频率可达72M,64K、RAM,512K、Flash,100引脚LQFP封装,速度可达72MHz,其ROM和RAM也是目前同类型板载主芯片中容量最大的。自带SDIO、USB、Device、5个串口、SPI接口和IIC接口,可以满足本系统丰富外设的接口需求,
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