一种基于嵌入式的充电桩系统的制作方法

本发明涉及一种充电桩，特别是一种基于嵌入式的充电桩系统。

背景技术：

环境与能源问题是当今人类世界的两大主题，节能减排、绿色出行成为了各国共同倡导和推行的减少碳排放应对全球气候变暖等环境和能源问题。电动汽车作为近年来新兴的绿色交通工具之一，与以往的以燃油为主要动力的普通汽车相比，一方面，节约了大量的石油等能源原材料；同时，有效的减少了含有二氧化碳等有害气体的汽车尾气的排放，减轻了由于汽车数量的增长而带来的环境破坏、能源短缺压力。电动汽车的发展受到了越来越多的青睐和关注，而电动汽车的发展离不开汽车充电桩的普及。

电动汽车的发展必须建立在相关充电配套的普及基础之上，包括充电桩、充电站、电池设备的维护保养以及计费监控等方面。充电配套设施的普及和发展是整个电动汽车行业发展的前提和基础，尤其是方便、快捷的交流充电桩，可以随时随地为电动汽车提供充电服务。电动汽车的发展和配套充电设施的发展是相辅相成，缺一不可的。目前，国内的电动汽车专用充电设施的发展主要有3种形式，充电站、充电桩和电池更换。充电站一般与当前路边随处可见的加油站类似，由配电、充电、电池调度等多个子系统组成，可以提供快充、慢充等多种充电方式，但是占地面积较大，建设投资较多。充电桩一般是固定地面的一种较为简易的充电设施，占地面积小，建设简单，使用方便。

充电桩又分为直流充电桩和交流充电桩两种不同的充电模式。直流充电桩，顾名思义，是以直流供电的方式对电动汽车进行充电，而普通市电传输的主要为交流电，因此，必须利用相关技术对交流电进行整流、逆变等处理，能够输出足够的功率，提供快速充电的服务。交流充电桩适用面更广，对于不同的电池，提供合适的电压，但充电时间较慢。交流充电桩同时能够添加充电量控制、智能通信，人机交互等功能。但是现有技术中尚无一种基于嵌入式的充电桩系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于嵌入式的充电桩系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于嵌入式的充电桩系统，包括linux系统的嵌入式主板、ic读卡器、打印机、电源管理装置、电能表、lcd显示屏、服务器、交换机、路由器、电脑、智能手机和车载充电机，其中，ic读卡器、打印机、电源管理装置、电能表、lcd显示屏、服务器均与linux系统的嵌入式主板相连，电源管理装置与车载充电机相连，服务器与交换机相连，交换机的输出端与路由器相连，路由器同时与电脑、智能手机相连。

所述linux系统的嵌入式主板设备1采用s3c44b0x处理器，内含16/32位arm7tdmirisc内核。

所述电源管理系统4采用的是bsb-1xx电源管理系统，具有容量预测、过流，过压，温度保护、自动充电控制、自检报警功能。

所述电能表5采用的是ddzy102.z型电表，具有根据充电时间段的不同进行差异化计费和故障报警功能。

所述ic读卡器2采用的是crt-288-e读卡器，具有读写ic卡以及rf卡功能。

本发明与现在技术相比，其显著优点为：1)本发明的系统占地面积小，建设简单，可方便快捷的给电动车提供充电服务；2)本发明的系统支持互联网访问充电桩，可远程查看充电桩工作状态及工作信息；3)借助人机交互工具lcd显示屏，更加直观的向用户展示个人身份信息、电量消费信息等；4)本发明的系统采用分段式充电方法，能够有效减小电池充电过程中的出气量，进而能够有效的延长电池的使用时间。

附图说明

图1为本发明的基于嵌入式的充电桩系统架构示意图。

图2为客户端和服务器，充电桩和服务器连接建立逻辑框图。

图3为刷卡充电流程图。

图中编号所代表的含义为：1为linux系统的嵌入式主板设备，2为ic读卡器，3为打印机，4为电源管理系统，5为电能表，6为lcd显示屏，7为服务器，8为交换机，9路由器，10为电脑客户端，11为智能手机，12为车载充电机。

具体实施方式

本发明公开了一种基于嵌入式的充电桩系统，包括linux系统的嵌入式主板1、ic读卡器2、打印机3、电源管理装置4、电能表5、lcd显示屏6、服务器7、交换机8、路由器9、电脑10、智能手机11和车载充电机12，其中，ic读卡器2、打印机3、电源管理装置4、电能表5、lcd显示屏6、服务器7均与linux系统的嵌入式主板1相连，电源管理装置4与车载充电机12相连，服务器7与交换机8相连，交换机8的输出端与路由器9相连，路由器9同时与电脑10、智能手机11相连。

所述linux系统的嵌入式主板设备1采用的是s3c44b0x处理器，内含16/32位arm7tdmirisc内核。

所述电源管理系统4采用的是bsb-1xx电源管理系统。

所述电能表5采用ddzy102.z型电表。

所述ic读卡器2采用的是crt-288-e读卡器。

下面进行更详细的描述。

1、充电桩系统的整体架构

电动汽车充电桩的主控系统担负着整个充电桩系统各个模块之间的协调、通信和控制任务，主要包括充电桩与充电机之间的连接控制，电池管理系统之间的通信与数据交互，上位机监控系统的数据交互与控制，显示屏的数据显示与采集等。这些控制单元需要一个支持多任务的实时操作系统来进行统一的协调与调度，而目前计算机领域内普遍运用的嵌入式微处理器能够很好的胜任这一工作。

嵌入式系统和普通的家庭式个人pc架构基本类似，以硬件为基础，配合软件系统的执行和调度。硬件为软件提供了一个基本的平台和各类必须的接口，主要以处理器为核心，存储器用于存储各类数据，通信模块与外界进行数据交互，i/o口用于数据的输入和输出。软件则以嵌入式操作系统为核心，通过与个人pc一样安装各类需要的应用程序从而能够控制整个系统的正常运行。嵌入式操作系统提供了应用程序的api接口，同时将具体的硬件信息隐藏掉，用户只需要通过api接口的程序便可以实现对硬件及功能的操作和控制，以便完成具体的协调和调度任务。本发明的设计系统整体结构如附图1所示。

本系统主要包括linux系统的嵌入式主板设备1、ic读卡器2、打印机3、电源管理系统4、电能表5、lcd显示屏6、服务器7、交换机8、路由器9、电脑客户端10、智能手机11，车载充电机12。

通过ic读卡器可以读取使用的账户信息，通过电源管理来控制充电的时长。利用电能表能直观得出耗电量，通过耗电量来对其进行收费，用户还可以通过打印机打取相应的凭证，外接lcd显示屏可以更好的与用户交互，嵌入式主板还可以将充电桩的工作状态发送至服务器，工作人员可通过互联网对某区域内的所有充电桩的运行状态进行查询。

为了保证系统稳定性，如附图2所示，客户端与中心服务器连接过程为：

1)客户端通过内网设备浏览器或外网终端浏览器访问服务器；

2)服务器监听到连接请求后，判断客户端是否具有本地账号，客户端状态是否正常、地址是否合法等；

3)服务器验证不通过则返回拒绝信息，客户端提示信息并结束请求；

4)服务器验证通过则建立与客户端的连接；

5)客户端连接服务器，服务器向客户端返回充电桩的工作信息以及运行状态；

充电桩与中心服务器建立连接过程为：

1)充电桩请求与服务器建立连接；

2)服务器监听到连接请求后，通过验证并建立连接；

3)充电桩连接服务器，充电桩向服务器发送充电桩的运行状态以及工作信息；

2、充电桩与车载充电机的连接

交流充电桩时一种转为电动汽车提供补充电源的设备，其本身并不具备充电功能，需要进行充电的电动汽车自带车载充电机，通过车载充电机与交流充电桩连接，进而为电动汽车进行充电。车载充电机一般来说，在电动汽车出厂时，便已经固定安装在电动汽车上了，车载充电机主要作用是将输入的交流电转换为直流电，然后对车载蓄电池进行充电。车载充电机与车载蓄电池是进行配对设计和安装的。车载蓄电池又是电动汽车的主要动力来源，电池的寿命和动力很大程度上决定了电动汽车的性能和驾驶体验，而充电桩通过车载充电机向电池供电，车载充电机决定了电池的充电方式和充电策略，因此车载充电机的性能和参数又在很大程度上决定了车载动力电池的使用寿命。

车载充电机能够通过can总线与电池管理系统进行实时的数据交互。一方面，车载充电机实时的将电池充电信息反馈给电池管理系统，另一方面，电池管理系统将车载充电机返回的数据进行梳理分析之后，向充电机发出充电参数调整指令，动态调整充电模式。

在充电过程中，一旦出现短路或者过压，过流等现象时，电源会启动保护措施，此时充电中断。当电源供电恢复之后，要求车载充电机也能够自动的恢复充电功能。

3、交流充电桩的软件设计与实现

嵌入式系统的正常运行和功能实现离不开嵌入式实时操作系统的支持，特别是当前嵌入式系统功能越来越强大、程序越来越复杂，必须依靠操作系统的统一管理和调度。嵌入式操作系统能够使得程序运行更加可靠，开发效率和开发周期均得到优化。本文交流充电桩的软件部分便是以linux实时操作系统为平台的。操作系统移植的处理器硬件具备以下几点：

(1)处理器中的c语言编译工具具备可植入代码的能力；

(2)在程序运行过程中支持随时开机或关闭；

(3)能够具备中断功能，并且可以定时；

(4)具备硬件堆栈，并且可以存储一定的数据；

(5)能够通过命令在堆栈中读写堆栈指针或者cpu寄存器；

当前，市场上有许多种c语言编译器均可以编译arm处理器内核，一般常用的主要有sdt、ads以及gcc。其中sdt以及ads均有arm公司自行开发编写，ads相对于sdt进行了一定的升级，功能更加强大，并且，将来arm公司将不再对sdt提供支持，因此本发明采用ads进行程序的编写和调试。

rm9处理器为用户提供了两种不同的任务处理模式，分别是权限较高的系统模式和权限相对较低的用户模式，在两种不同的模式下，将能够调用不同的系统资源。并且访问权限也不相同。在linux系统进行移植的时候，就必须首先考虑如何能够实现在有差异的工作模式下，能够不受限制的调用同样的底层接口函数。本发明通过采用arm9的软中断swi来实现这一功能。

一般情况下，嵌入式微处理器均要求要在swi中能够查询到中断功能号，如此是为了能够在swi指令的执行操作过程中，通过对相应的位段进行读操作便可以获得中断功能号。嵌入式微处理器内核拥有两个不同指令长度的指令集，对于不同的指令集来说，sw指令的功能号也就拥有不一样的位段。因此要想获得正确的位段，就必须首先判断处理器当前所用的指令集。当获得了正确的指令集之后，进而获得正确的中断功能号，再接下来便是明确中断功能号的具体值，是置0还是置1，来分别调用不同的函数。

4、充电桩硬件的设计与实现

一个充电桩控制系统各部分硬件单元主要需要5v，3.3v，1.8v三种供电电源。5v供电电源主要用于i/o口以及lcd触摸屏接口。主控芯片s3c44b0x则需要1.8v电源进行供电，其余部分的接口电路驱动电源为3.3v。一般来说，逻辑部分的电路对于功耗的要求并不高，主控芯片的功耗在400mw左右，系统功耗的主要“贡献者”为lcd显示屏，也只有500mw左右，所以，系统设计时采用的是线性稳压源的方案，输入为5v的直流电压，经过滤波等操作之后，一方面将滤波电压送至外围的扩展i/o等接口电路，另一方面经过lm117，由该芯片将5v的直流电转换为3.3v，然后再经过一次滤波，送至mic5207，由mic5207再将电压转换为1.8v，为处理器内核供电。

复位功能对于任何一个系统来说都是一个非常重要的功能，系统的各个模块单元都需要一个稳定的复位来保证其能够进入一个正常的工作状态。同时，在程序软件运行的过程中，一旦遇到死机或者跑飞的问题，就需要复位功能来强制将系统初始化。一般，比较常用的复位方式有自动上电复位以及手动进行复位两种模式，在本文的设计中，复位电路采用了一个简单的rc延时电路。

flash存储器的最大优点是能够以电擦写的方式在系统中进行数据更新，并且突发掉点之后，数据还能够保存下来。flash存储器具有功耗低，容量比较大，能够支持快速擦写，并且既能够整片进行程序的烧写和擦除，能够根据需要分山区进行操作，对芯片的各类操作仅仅依靠系统自身内嵌的算法就完全按满足需求，不需要外接其他工具，因此，在嵌入式系统中得到了非常普遍的使用。由于flash存储器的上述存储数据不易丢失的特点，在实际应用中，一般用于保存一些比较重要的程序或者代码，常用的一些常量表，以及一些涉及到用户基本信息的需要在系统掉电后仍能够保存下来的重要数据。目前，常见的flash数据宽度一般为8位或者16位，驱动电压一般为3.3v。

与flash的数据不易丢失特性不同，sdram一旦掉电，其存储的数据就会丢失，但是在保证供电的前提下，其数据读写的速度要远远优于flash存储器。因此在实际应用中，当系统进行上电初始化之后，原本存储于flash中的程序会被调至sdram中进行处理，从而加快系统的处理速度。相较于flash的存储空间，sdram也有较大的优势，并且造价相对也比较便宜，因此在嵌入式系统中的使用也比较广泛。sdram与电容的特点类似，电容器在电路中必须时时的进行充电、放电。嵌入式系统中的sdram也必须依靠cpu通过逻辑电路进行不断的刷新。s3c44b0等一些常见的嵌入式处理器均再带有相关的逻辑电路，随时可以供sdram进行接入系统。

通过以太网的功能添加，各充电桩能够与上位控制机进行数据交互，实现对各充电桩的统一监控和管理，也可以远程查询各充电桩的实时状态，方便维护。由于嵌入式微处理器内部并未预设以太网控制模块，本文拟采用cirruslogic公司的cs8900a作为充电桩控制系统的以太网功能控制模块。cs8900a是一款常用的以太网控制模块，采用单片全双工模式，集成了isa总线接口，内部用于缓冲的存储器，802.3mac引擎，10base-t/aui接口的收发滤波器以及串行eeprom接口。一般来说，cs8900a模块的主要功能有两个，一个是以太网数据包的发送，另一个为数据包的接收，而数据包的发送和接收首先要依赖模块的正确配置。在模块进行上电复位以后，进行系统初始化，各类初始化参数会被写入相应的功能控制寄存器中。

5、充电计量的实现

充电桩为用户提供充电服务的同时，需要用户支付一定的费用，费用结算的方式则以耗电量为计量。目前，使用较多的电能计量设备为电能表。通过与电能表之间的数据交互，读取电能消耗的信息。再以集成用户信息的ic卡为媒介，进行消费的结算及支付。智能电表是一种以计算机技术，通信技术为基础，通过智能处理器芯片进行调度控制的电度表，能够对电功率进行计量，费用计算，同上位机进行数据交互以及支持用电管理等。本文的充电桩控制系统中，智能电表与主控系统以及车载充电机之间进行数据的交互与通信，由此，进行用户充电数据的采集，传输及处理，为系统的其他功能的运转提供基础信息。智能电表需要安装在为车载充电机进行供电的充电接口处，并且该接口与智能电表之间不需要其他无关的装置。智能电表可根据充电时间段的不同进行差异化计费，区分忙时与闲时，采用不同的计费单价，电量计量信息能够保存下来，并且随时供用户或者上位机查询。本发明选用的由威盛公司生产的ddzy102.z型电表可以满足上述要求。该电表拥有4个费率，可以区分14个时段，遇到节假日或普通周末均可以进行不同的费率设置，同时该智能电表还能够支持费用结算，并且每月支持设置三个结算的时间点，对于结算点的过往计费数据以及其他一些特殊的额事件的记录均可以保证记录超过10次。另外，对于部分硬件导致的电表故障还具有警报的功能。

6、ic卡读取功能的实现

为了便于用户身份的识别及电费信息的计量和扣费，本电动汽车充电桩配备了射频读卡器。用户如果需要使用充电桩进行充电，首先需要向相关运营单位申请一张专用的ic卡。在使用充电桩的时候，将充电接口与车载充电机连接之后，需要将ic卡靠近读卡区，此时，系统通读读取ic卡的信息获取用户信息，进行身份验证，验证通过之后，即可为用户提供充电服务。本发明采用的是crt-288-e读卡器，这款读卡器同时具有读写ic卡以及rf卡功能，用户将卡插入读卡器之后，读卡器会自动锁定，提供手动和自动两种取卡方式，并且稳定性好，经久耐用。

7、刷卡充电流程

充电桩的刷卡充电流程如图附图3所示：

(1)充电桩上电，先进行系统初始化。

(2)ic读卡器进行寻卡，直到读到ic卡信息，然后进行充电端口连接；

(3)连接后选择充电方式，刷卡自动充电。

(4)本次充电完成后，询问用户是否需要续集充电；

(5)若需要继续充电则设定相应的充电参数，再进行充电，若不需要继续充电则扣除费用，结束充电。

本发明的系统占地面积小，建设简单，可方便快捷的给电动车提供充电服务；2)本发明的系统支持互联网访问充电桩，可远程查看充电桩工作状态及工作信息。