基于FPGA的电动车充电桩手机遥控装置及其控制方法与流程

本发明涉及汽车充电桩系统，具体涉及一种基于fpga的电动车充电桩手机遥控装置及其控制方法。

背景技术：

汽车已成为日常生活中不可或缺的交通工具，但其环境污染和能源消耗问题日益突出，使新能源汽车成为汽车工业新的发展方向，尤其是电动汽车凭借使用成本低、无污染、噪音低的优点，正受到政府大力支持并速率发展。

电动汽车以电代油，能实现“零污染”、“零排放”，是新能源汽车的主要发展方向。据国际能源署(iea)最新报告预计，全球电动汽车保有量在2017年达到创纪录的310万辆，并将在2030年之前达到2150万辆的销量；其中中国占到去年全球份额的40％，是全世界最大的电动汽车市场。由于当前电动汽车的续航能力有限、充电桩数量不足，充电桩通常采用集中点安装，位置固定，不能由普通路边人家自己安装并提供充电服务以增加道路沿线充电桩的密集度，由电动车主通过手机遥控，在任意地点选择任意充电模式进行任意金额的充电，从而给电动汽车的推广使用带来了不便。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于fpga的电动车充电桩手机遥控装置及其控制方法解决了充电桩无法遥控操作的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于fpga的电动车充电桩手机遥控装置，包括智能手机终端、wifi接口单元、电压检测单元、电流检测单元、充电回路控制单元、电动车充电桩和fpga芯片控制单元，所述fpga芯片控制单元上集成有电流检测接口模块、电压检测接口模块、rs232发送模块、rs232接收模块、时序控制模块和充电控制接口模块，所述智能手机终端与wifi接口单元以802.11x协议进行无线通信连接，所述wifi接口单元通过rs232协议以有线方式分别与rs232发送模块和rs232接收模块连接，所述电压检测接口模块与电压检测单元连接，所述电流检测接口模块与电流检测单元连接，所述充电控制接口模块与充电回路控制单元均与电动车充电桩连接，所述时序控制模块分别与rs232发送模块、rs232接收模块、电压检测接口模块和电流检测接口模块相连接。

进一步地：所述电流检测单元包括传感电阻rsense、放大电路电阻r1、r2、r3、r4、r5、电容c1、集成运算放大器lm358ad、输出电阻r6和模数转换集成电路adc0832，所述传感电阻rsense串联在蓄电池充电回路中获取采样的蓄电池充电电流信号，所述电阻r1、r2分别将传感电阻rsense获取的蓄电池充电电流信号传送到lm358ad的负相输入端2和正相输入端3，平衡电阻r3一端与lm358ad正向输入端3相接，另一端接地，所述电阻r4、r5、电容c1构成负反馈电路，所述电阻r4的一端和电容c1的一端均与lm358ad负向输入端2连接，所述电容c1的另一端与电阻r5的一端连接，所述电阻r5的另一端和电阻r4的另一端均与lm358ad输出端1连接，所述集成运算放大器lm358ad的4端接电源vdd，8端接地，所述集成运算放大器lm358ad的输出端1通过负载电阻r6与模数转换集成电路adc0832的输入通道ch0引脚相接，所述adc0832的端与fpga的片选信号ce_i相接，gnd端接地，vcc/ref端接电源vcc，clk端接fpga的时钟驱动信号clk_c，do端接fpga的电流采样输入chk_i，di端接fpga的电流采样模数转换设置set_i端。

进一步地：所述电压检测单元包括分压电阻rs1、rs2、rs3、放大电路电阻r7a、r7b、r8、r9、r10、电容c2、集成运算放大器lm358ad、输出电阻r11、模数转换集成电路adc0832，所述分压电阻rs1、rs2、rs3并接在蓄电池充电回路中，电阻r7a从电阻rs1、rs2获取蓄电池充电电压分压信号并传送至lm358ad负向输入端2，电阻r7b从电阻rs2、rs3获取蓄电池充电电压分压信号并传送至lm358ad正向输入端3，平衡电阻r8一端与lm358ad正向输入端3相接，另一端接地，所述电阻r9、r10、电容c2构成负反馈电路，所述电阻r9的一端和电容c2的一端均与lm358ad负向输入端2连接，所述电容c2的另一端与电阻r10的一端连接，所述电阻r10的另一端和电阻r9的另一端均与lm358ad输出端1连接，所述集成运算放大器lm358ad的4端接电源vdd，8端接地，所述集成运算放大器lm358ad的输出端1通过负载电阻r11与模数转换集成电路adc0832的输入通道ch0相接，所述adc0832的端与fpga的片选信号ce_v相接，gnd端接地，vcc/ref端接电源vcc，clk端接fpga的时钟驱动信号clk_c，co端接fpga的电压采样输入chk_v，di端接fpga的电压采样模数转换设置set_v端。

进一步地：所述wifi接口单元包括电阻r14、r15和wifi模块esp-12e，所述电阻r14的一端与esp-12e的ch_pd端相接，另一端与电源vcc、esp-12e的rest端和vcc端相接，esp-12e的txd端与fpga芯片控制单元中的rs232接收模块的rxd端相接，esp-12e的rxd端与fpga芯片控制单元中的rs232发送模块的txd端相接，esp-12e的gpio15端经电阻r15与esp-12e的gnd端和地相接。

进一步地：所述充电回路控制单元包括限流电阻r12、双向可控硅晶片光耦管tlp260j、推动管vt、限流电阻r13、可调偏置电阻rp、偏置电阻r14、偏置电容c3、双向触发二极管vd1和可双向可控制硅scr，所述限流电阻r12一端接电源vcc，另一端经tlp260j的1到2端后再经推动管vt的集电极到发射极接地，所述fpga芯片控制单元中的充电控制接口模块输出端pwoffon经限流电阻r13接推动管vt的基极，所述tlp260j的6端与双向可控制硅scr的1端和电动车充电桩中的供电回路的一端相接，tlp260j的4端经可调偏置电阻rp与双向触发二极管vd1的1端和偏置电阻r14的一端相接，偏置电阻r14的另一端经偏置电容c3与双向可控制硅scr的2端和电动车充电桩中供电回路的另一端相接，vd1的2端和scr的3端相接。

进一步地：所述rs232接收模块通过rxd与wifi接口单元esp-12e的txd端相接，所述rs232发送模块通过txd与esp-12e的rxd端相接，所述电压检测接口模块通过信号ce_v、clk_c、chk_v以及set_v分别与电压信号检测单元的clk、do以及di端相接，所述电流检测接口模块通过信号ce_i、clkc、chk_i以及set_i与电流信号检测单元的clk、do以及di端相接，所述充电控制接口模块通过pwoffon与充电回路控制单元中的r13相接，通过信号mdl_au、mdl_kl、mdl_tm以及mdl_vi与电动车充电桩中的工作模式控制开关相接，所述时序控制模块输入端时钟信号clks、复位信号rst与fpga外部100mhz驱动时钟clks和复位信号rst相接，时序控制模块输出端chkclk与电压检测接口模块和电流检测接口模块输入端chkclk相接，时序控制模块输出端trclk与rs232接收模块和rs232发送模块输入端trclk相接。

一种基于fpga的电动车充电桩手机遥控装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、通过智能手机终端输入预设充电费用和充电方式，控制电动车充电桩中的工作模式；

s2、通过电压检测单元和电流检测单元检测充电电压和充电电流；

s3、根据工作模式、充电电压和充电电流进行剩余充电时间、费用、里程和电量的计算；

s4、通过智能手机终端每5ms进行一次充电电量剩余量的计算和刷新显示，并在充电电量剩余量为零后，关断充电回路控制单元。

进一步地：所述步骤s3中剩余充电时间、费用、里程和电量的计算方法为：

金额x所购买总电量sxvit的剩余充电电量rxvit计算公式为：

其中stvit为当前已经给蓄电池充电电量，u为蓄电池稳定充电电压，i为蓄电池稳定充电电流，tx为稳定充电所需充电时间，u为检测到的蓄电池瞬时充电电压，i为检测到的蓄电池瞬时充电电流，t为已经充电的时间，u、i均为变量t的函数；

金额x所购买按总公里数计算的电量sxkl的剩余充电公里数rxkl计算公式为：

其中stkl为当前已经给蓄电池充电电量可运行的公里数，系数k为公里/度；

金额x所购买按总充电时间计算的电量sxtm的剩余充电时间数rxtm计算公式为：

其中sttm为当前已经给蓄电池充电的持续时间数，系数h为分钟/度；

金额x所购买按自动充满电量sxau计算的剩余充电金额数rxau计算公式为：

其中stau为当前已经给蓄电池充电的金额数，系数α为元/度。

本发明的有益效果为：

(1)采用智能手机终端界面操作实现电动车购电数量的遥控输入，以及电动车充电桩工作模式的遥控操作；

(2)采用智能手机终端配备的cpu和平板显示界面，计算并显示充电过程和充电余量，包括剩余充电时间、费用、里程、电量的计算与显示，并在余量用尽充电完成时发出停止充电指令，实现对充电桩工作过程的实时监控；

(3)通过智能手机终端配备的wifi功能进行与wifi接口单元间的双向数据传输，实现对充电桩的远距离无线数据传输和控制；

(4)利用fpga芯片所具有的大量硬件资源，开发与wifi接口单元、电压检测单元、电流检测单元、充电回路控制单元、电动车充电桩的接口模块，可简化控制电路设计和系统体积，增加系统可靠性和稳定性，降低系统成本；

(5)利用电压检测单元、电流检测单元对充电过程的实时监测，可即时掌握充电桩的工作状况，并根据获知的充电剩余量，提前准备充电后的相关操作，节省充电时间。

附图说明

图1为本发明一种基于fpga的电动车充电桩手机遥控装置系统结构图；

图2为本发明控制流程图；

图3为本发明电流检测单元的电路图；

图4为本发明电压检测单元的电路图；

图5为本发明充电回路控制单元的电路图；

图6为本发明wifi接口单元的电路图；

图7为本发明的fpga芯片控制单元顶层对外引脚分布图；

图8为本发明的fpga芯片控制单元内部功能模块连接图；

图9为本发明的智能手机操作与显示界面图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种基于fpga的电动车充电桩手机遥控装置，包括智能手机终端、wifi接口单元、电压检测单元、电流检测单元、充电回路控制单元、电动车充电桩和fpga芯片控制单元，所述fpga芯片控制单元上集成有电流检测接口模块、电压检测接口模块、rs232发送模块、rs232接收模块、时序控制模块和充电控制接口模块，所述智能手机终端与wifi接口单元以802.11x协议进行无线通信连接，所述wifi接口单元通过rs232协议以有线方式分别与rs232发送模块和rs232接收模块连接，所述电压检测接口模块与电压检测单元连接，所述电流检测接口模块与电流检测单元连接，所述充电控制接口模块与充电回路控制单元均与电动车充电桩连接，所述时序控制模块分别与rs232发送模块、rs232接收模块、电压检测接口模块和电流检测接口模块相连接。

如图3所示，电流检测单元包括传感电阻rsense、放大电路电阻r1、r2、r3、r4、r5、电容c1、集成运算放大器lm358ad、输出电阻r6和模数转换集成电路adc0832，传感电阻rsense串联在蓄电池充电回路中获取采样的蓄电池充电电流信号，电阻r1、r2分别将传感电阻rsense获取的蓄电池充电电流信号传送到lm358ad的负相输入端2和正相输入端3，平衡电阻r3一端与lm358ad正向输入端3相接，另一端接地，电阻r4、r5、电容c1构成负反馈电路，电阻r4的一端和电容c1的一端均与lm358ad负向输入端2连接，电容c1的另一端与电阻r5的一端连接，电阻r5的另一端和电阻r4的另一端均与lm358ad输出端1连接，集成运算放大器lm358ad的4端接电源vdd，8端接地，集成运算放大器lm358ad的输出端1通过负载电阻r6与模数转换集成电路adc0832的输入通道ch0引脚相接，adc0832的端与fpga的片选信号ce_i相接，gnd端接地，vcc/ref端接电源vcc，clk端接fpga的时钟驱动信号clk_c，do端接fpga的电流采样输入chk_i，di端接fpga的电流采样模数转换设置set_i端。

如图4所示，所述电压检测单元包括分压电阻rs1、rs2、rs3、放大电路电阻r7a、r7b、r8、r9、r10、电容c2、集成运算放大器lm358ad、输出电阻r11、模数转换集成电路adc0832，所述分压电阻rs1、rs2、rs3并接在蓄电池充电回路中，电阻r7a从电阻rs1、rs2获取蓄电池充电电压分压信号并传送至lm358ad负向输入端2，电阻r7b从电阻rs2、rs3获取蓄电池充电电压分压信号并传送至lm358ad正向输入端3，平衡电阻r8一端与lm358ad正向输入端3相接，另一端接地，所述电阻r9、r10、电容c2构成负反馈电路，所述电阻r9的一端和电容c2的一端均与lm358ad负向输入端2连接，所述电容c2的另一端与电阻r10的一端连接，所述电阻r10的另一端和电阻r9的另一端均与lm358ad输出端1连接，所述集成运算放大器lm358ad的4端接电源vdd，8端接地，所述集成运算放大器lm358ad的输出端1通过负载电阻r11与模数转换集成电路adc0832的输入通道ch0相接，所述adc0832的端与fpga的片选信号ce_v相接，gnd端接地，vcc/ref端接电源vcc，clk端接fpga的时钟驱动信号clk_c，co端接fpga的电压采样输入chk_v，di端接fpga的电压采样模数转换设置set_v端。

如图5所示，充电回路控制单元包括限流电阻r12、双向可控硅晶片光耦管tlp260j、推动管vt、限流电阻r13、可调偏置电阻rp、偏置电阻r14、偏置电容c3、双向触发二极管vd1和可双向可控制硅scr，限流电阻r12一端接电源vcc，另一端经tlp260j的1到2端后再经推动管vt的集电极到发射极接地，fpga芯片控制单元中的充电控制接口模块输出端pwoffon经限流电阻r13接推动管vt的基极，tlp260j的6端与双向可控制硅scr的1端和电动车充电桩中的供电回路的一端相接，tlp260j的4端经可调偏置电阻rp与双向触发二极管vd1的1端和偏置电阻r14的一端相接，偏置电阻r14的另一端经偏置电容c3与双向可控制硅scr的2端和电动车充电桩中供电回路的另一端相接，vd1的2端和scr的3端相接。推动管vt可以是9013或其他具有类似功能的晶体管。scr可以是bta100-1200b等型号的大电流双向可控硅，双向可控硅晶片光耦管也可以是moc3052等型号的器件，双向触发二极管可以是db3等型号的器件。

如图6所示，wifi接口单元包括电阻r14、r15和wifi模块esp-12e，电阻r14的一端与esp-12e的ch_pd端相接，另一端与电源vcc、esp-12e的rest端和vcc端相接，esp-12e的txd端与fpga芯片控制单元中的rs232接收模块的rxd端相接，esp-12e的rxd端与fpga芯片控制单元中的rs232发送模块的txd端相接，esp-12e的gpio15端经电阻r15与esp-12e的gnd端和地相接。wifi接口单元也可以是esp-07、esp-08或其他可完成802.11x的其他模块，这里的x可以是b、n等。

如图7所示，fpga芯片控制单元顶层对外引脚，为用美国xilinx公司的vivado2017.4开发平台，选用artix-7型号的fpga芯片，用vhdl设计获得的控制装置对外引脚。通过rxd、txd引脚与wifi接口单元相连接，通过ce_v、clk_c、chk_v、set_v与电压信号检测单元相连接，通过ce_i、clkc、chk_i、set_i与电流信号检测单元相连接，通过pwoffon与充电回路控制单元相连接，通过mdl_au、mdl_kl、mdl_tm、mdl_vi与电动车充电桩相连接。fpga芯片可以是xilinx或altera或其他公司的芯片产品。

如图1所示，rs232接收模块通过rxd与wifi接口单元esp-12e的txd端相接，rs232发送模块通过txd与esp-12e的rxd端相接，电压检测接口模块通过信号ce_v、clk_c、chk_v以及set_v分别与电压信号检测单元的clk、do以及di端相接，电流检测接口模块通过信号ce_i、clkc、chk_i以及set_i与电流信号检测单元的clk、do以及di端相接，充电控制接口模块通过pwoffon与充电回路控制单元中的r13相接，通过信号mdl_au、mdl_kl、mdl_tm以及mdl_vi与电动车充电桩中的工作模式控制开关相接，时序控制模块输入端时钟信号clks、复位信号rst与fpga外部100mhz驱动时钟clks和复位信号rst相接，时序控制模块输出端chkclk与电压检测接口模块和电流检测接口模块输入端chkclk相接，时序控制模块输出端trclk与rs232接收模块和rs232发送模块输入端trclk相接。

如图8所示，所述时序控制模块u1的clks引脚与clks信号连接，所述时序控制模块u1的rst引脚分别与rst信号、rs232接收模块u3的rst引脚、电压检测接口模块u4的rst引脚、电流检测接口模块u5的rst引脚、rs232发送模块u2的rst引脚和充电控制接口模块u6的rst引脚连接，所述时序控制模块u1的chkclk引脚分别与电压检测接口模块u4的chkclk引脚和电流检测接口模块u5的chkclk引脚连接，所述时序控制模块u1的trclk引脚分别与rs232接收模块u3的trclk引脚和rs232发送模块u2的trclk引脚连接，rs232接收模块u3的din引脚与din信号连接，所述rs232接收模块u3的rdout[7:0]引脚与充电控制接口模块u6的ctrin[7:0]引脚连接，所述rs232接收模块u3的rwfg引脚与充电控制接口模块u6的rwfg引脚连接，所述电压检测接口模块u4的chk_v引脚与chk_v信号连接，所述电压检测接口模块u4的clkc_v引脚连接clkc_v信号，所述电压检测接口模块u4的cs_v引脚连接cs_v信号，所述电压检测接口模块u4的data_i[7:0]与rs232发送模块u2的data_v[7:0]引脚连接，所述电压检测接口模块u4的set_v引脚与set_v信号连接，所述电流检测接口模块u5的chk_i引脚与chk_i信号连接，所述电流检测接口模块u5的clkc_i引脚与clkc_i信号连接，所述电流检测接口模块u5的cs_i引脚与cs_i信号连接，所述电流检测接口模块u5的data_v[7:0]引脚与rs232发送模块u2的data_i[7:0]引脚连接，所述电流检测接口模块u5的set_i引脚连接set_i信号，所述rs232发送模块u2的txo引脚连接txo信号，所述充电控制接口模块u6的mdl_au引脚连接mdl_au信号，所述充电控制接口模块u6的mdl_kl引脚连接mdl_kl信号，所述充电控制接口模块u6的mdl_tm引脚连接mdl_tm信号，所述充电控制接口模块u6的mdl_vi引脚连接mdl_vi信号，所述充电控制接口模块u6的pwoffon引脚连接pwoffon信号。

图9所示，为用app实现的智能手机操作与显示界面。

图2所示，一种基于fpga的电动车充电桩手机遥控装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、通过智能手机终端输入预设充电费用和充电方式，控制电动车充电桩中的工作模式；

s2、通过电压检测单元和电流检测单元检测充电电压和充电电流；

s3、根据工作模式、充电电压和充电电流进行剩余充电时间、费用、里程和电量的计算，计算公式为：

金额x所购买总电量sxvit的剩余充电电量rxvit计算公式为：

其中stvit为当前已经给蓄电池充电电量，u为蓄电池稳定充电电压，i为蓄电池稳定充电电流，tx为稳定充电所需充电时间，u为检测到的蓄电池瞬时充电电压，i为检测到的蓄电池瞬时充电电流，t为已经充电的时间，u、i均为变量t的函数；

金额x所购买按总公里数计算的电量sxkl的剩余充电公里数rxkl计算公式为：

其中stkl为当前已经给蓄电池充电电量可运行的公里数，系数k为公里/度；

金额x所购买按总充电时间计算的电量sxtm的剩余充电时间数rxtm计算公式为：

其中sttm为当前已经给蓄电池充电的持续时间数，系数h为分钟/度；

金额x所购买按自动充满电量sxau计算的剩余充电金额数rxau计算公式为：

其中stau为当前已经给蓄电池充电的金额数，系数α为元/度。

s4、通过智能手机终端每5ms进行一次充电电量剩余量的计算和刷新显示，并在充电电量剩余量为零后，关断充电回路控制单元。

本发明中所有数据均定义为整型，fpga的计算过程均为整型运算，故在充电进度值＝实际充电量/预设充电量×100％的计算及赋值过程中，计算结果的小数部分均被舍弃，系统理论显示误差＜1％。

为分析本发明的计算精度及在不同模式下实际充电量与显示充电量的误差大小，测量并记录多组实验数据并与理论值数据进行比较，表1分别表示充电电量为10度、17度时的误差分析情况。测试结果表明充电进度的显示数值与理论数值误差与预期误差一致。

表1