六盤水師范學(xué)院 陸 孟 楊朝磊

本文闡述了一種基于STM32的充電樁狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用STM32作為主控芯片，以Uc/os-II為操作系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過RFID模塊讀取用戶磁卡信息，采用DGUS屏設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，方便用戶通過刷卡進(jìn)行充電操作。經(jīng)過測(cè)試，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)充電狀態(tài)的動(dòng)態(tài)顯示及實(shí)時(shí)控制，具有一定的研究?jī)r(jià)值。

電動(dòng)汽車充電樁是新能源汽車的充電基礎(chǔ)設(shè)施，隨著新能源汽車的普及，電動(dòng)汽車充電樁的應(yīng)用越來越廣泛。但充電樁的用戶體驗(yàn)還存在一些問題，如：觸摸屏界面不夠美觀、系統(tǒng)處理速度緩慢等，給用戶的使用帶來了不便。為了滿足用戶簡(jiǎn)單、方便、快捷的充電需求，本文提出了一種基于STM32的充電樁狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用STM32芯片作為主控芯片，以嵌入式Uc/os-II作為操作系統(tǒng)，通過RFID模塊讀取用戶信息，同時(shí)在DGUS屏設(shè)計(jì)了GUI人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)顯示充電電壓、電量、卡內(nèi)余額等信息，充電數(shù)據(jù)則通過串口上傳到上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步分析和處理。

1 整體方案設(shè)計(jì)

充電樁狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由DGUS顯示屏模塊、RFID射頻識(shí)別模塊、STM32主控模塊、充電控制模塊、上位機(jī)模塊組成。系統(tǒng)首先通過RFID射頻識(shí)別模塊讀取用戶磁卡，將用戶的充電及消費(fèi)信息讀取到控制單元中，STM32主控模塊對(duì)磁卡信息進(jìn)行處理后，通過充電控制模塊對(duì)充電的通斷進(jìn)行控制，同時(shí)通過串口將充電信息傳輸?shù)紻GUS顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；用戶在DGUS顯示屏上的操作指令也將通過串口傳輸給STM32主控模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電狀態(tài)的控制。最后主控模塊將各次的充電數(shù)據(jù)通過串口上傳到上位機(jī)處理中心進(jìn)行分析存儲(chǔ)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

RFID射頻識(shí)別模塊是實(shí)現(xiàn)用戶信息獲取的核心，本設(shè)計(jì)采用M209CX芯片來實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶次卡信息的讀取，該模塊采用13.56MHz非接觸射頻技術(shù)，內(nèi)嵌飛利浦射頻基站，通過向指定的端口發(fā)送命令或者操作函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)卡片的讀寫。微處理器與M209CX讀卡器模塊之間采用串口1進(jìn)行通信，接口上電路原理圖如圖2所示。

圖2 RFID模塊接口電路圖

為減少微控制器的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，本設(shè)計(jì)采用北京迪文DMT80600080_16WT型號(hào)的DWIN液晶顯示屏作為人機(jī)交互界面的載體。該DGUS屏把GUI分解成控件并且按照頁面來配置，控件顯示直接由變量控制。DGUS屏集成了DWIN_OS平臺(tái)，該OS平臺(tái)擁有數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、串口通信等功能，用戶對(duì)觸摸屏進(jìn)行充電模式選擇、充電界面切換操作，不依賴于微處理器，微處理器與觸摸屏之間只需要通過變量傳遞，更新顯示數(shù)據(jù)。觸摸屏采用485總線與處理器通信，其接口電路原理如圖3所示。

圖3 DGUS屏接口電路原理圖

為實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁充電狀態(tài)的控制，本系統(tǒng)采用直流接觸器作為充電電路的通斷控制器。在充電控制電路中，由于微控制單元的IO口輸出電流不足以驅(qū)動(dòng)繼電器，因此接上三極管放大電來驅(qū)動(dòng)繼電器。當(dāng)STM32的PC9為高電平時(shí)，PNP三極管斷開，接線端子引腳1、2閉合，充電電路處于斷開狀態(tài)；當(dāng)PC9處于低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，線圈吸合引腳1、3，充電樁輸出充電電能，實(shí)現(xiàn)充電。充電控制電路圖如圖4所示。

圖4 充電控制電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Uc/os-II操作系統(tǒng)任務(wù)設(shè)計(jì)

Uc/os-II在STM32上移植成功后，需要?jiǎng)?chuàng)建液晶屏顯示任務(wù)、串口任務(wù)、讀卡器任務(wù)、通信任務(wù)以及計(jì)量任務(wù)等用戶任務(wù)。首先，設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍為1s/OS_TICKS_PER_SEC(1000)，同時(shí)定義充電樁系統(tǒng)最大任務(wù)數(shù)：#define OS_MAX_TASKS 20u，接下來，分別創(chuàng)建其他關(guān)鍵任務(wù)：

（1）液晶屏顯示任務(wù)。首先將已編寫的底層液晶驅(qū)動(dòng)程序，添加到Uc/os-II操作系統(tǒng)。由于顯示任務(wù)設(shè)計(jì)的變量較多，因此需要占用的堆棧較大，設(shè)置顯示任務(wù)堆棧為256KB，同時(shí)顯示任務(wù)比較重要，設(shè)置優(yōu)先級(jí)為3。

（2）串口1任務(wù)。編寫串口驅(qū)動(dòng)程序，并將該程序的頭文件及源文件添加到操作系統(tǒng)中，設(shè)置串口任務(wù)設(shè)置優(yōu)先級(jí)為10，分配任務(wù)棧為64KB，定義任務(wù)棧的接口函數(shù)為void usart_task(void *pdata)。接著通過調(diào)用OSTaskCreate(x,x,x,x)函數(shù)創(chuàng)建串口任務(wù)。

（3）通信任務(wù)主要通過調(diào)用OSMboxPend( )和OSQPend( )接收充電的電量、IC卡號(hào)以及金額等信息，并上傳到上位機(jī)。

各任務(wù)創(chuàng)建完畢后，初始化任務(wù)，并在操作系統(tǒng)中啟動(dòng)任務(wù)。Uc/os-II任務(wù)的創(chuàng)建及啟動(dòng)流程如圖5所示。

圖5 Uc/os-II任務(wù)的創(chuàng)建及啟動(dòng)流程圖

3.2 RFID模塊軟件設(shè)計(jì)

STM32通過串口1與RFID模塊通信。串口驅(qū)動(dòng)調(diào)用庫RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE)來使能USART1、GPIOA時(shí)鐘，進(jìn)而配置IO口的輸入輸出模式，同時(shí)對(duì)讀卡器模塊的底層驅(qū)動(dòng)創(chuàng)建card.c和card.h兩個(gè)文件，在這兩個(gè)文件中編寫了更改讀卡器模塊的波特率、控制LED燈的亮滅、讀取卡片的ID、卡片密鑰驗(yàn)證、讀取錢包數(shù)據(jù)、卡扣錢等驅(qū)動(dòng)函數(shù)。在串口1中斷服務(wù)程序中對(duì)讀卡器返回一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。程序流程圖如圖6所示。

圖6 RFID模塊程序流程圖

3.3 人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)

首先，需要在DGUS屏已加載好的圖片上繪制相應(yīng)的控制控件，在觸控配置中進(jìn)行增量調(diào)節(jié)、拖動(dòng)調(diào)節(jié)、RTC設(shè)置、基礎(chǔ)觸控等操作，在所需要指定的區(qū)域拖拽圖片并覆蓋，通過觸控配置實(shí)現(xiàn)圖片之間的相互切換。為實(shí)現(xiàn)觸摸屏數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示，需要在變量配置中設(shè)計(jì)為數(shù)字變量顯示，分別給變量分配地址、設(shè)置變量顯示顏色、設(shè)置字體大小和變量類型。由于充電樁設(shè)計(jì)的變量較多，因此將變量生成Excel表格進(jìn)行統(tǒng)一管理，以便于為后續(xù)的微處理控制。變量配置參數(shù)如圖7所示。

圖7 DGUS屏參數(shù)配置

界面設(shè)計(jì)好以后，通過SD卡下載到DGUS屏，完成觸摸屏部分開發(fā)。由于DGUS屏采用變量驅(qū)動(dòng)模式工作，屏的工作模式和GUI狀態(tài)完全由數(shù)據(jù)變量控制。因此串口指令只需要對(duì)變量進(jìn)行讀、寫操作。迪文屏與外部充電樁處理器交互只需以下五種指令集，如表1所示。

表1 DGUS屏指令集

4 系統(tǒng)測(cè)試

首先進(jìn)行IC卡認(rèn)證，該界面主要涉及三個(gè)按鈕，分別是play、stop、返回主界面。當(dāng)用戶按下play按鈕，圖片中的IC卡將運(yùn)動(dòng)起來，示意用戶將IC卡放入讀卡器區(qū)域，并進(jìn)行密鑰驗(yàn)證。

圖8 充電樁刷卡認(rèn)證界面

當(dāng)用戶信息讀取完畢且秘鑰驗(yàn)證成功后，用戶可進(jìn)行四種充電模式的選擇，分別為：固定電量、固定時(shí)間、固定金額、自動(dòng)充滿模式。當(dāng)選擇相應(yīng)的充電模式后，系統(tǒng)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的充電界面，同時(shí)STM32主控模塊控制充電模塊導(dǎo)通，進(jìn)入充電狀態(tài)。為減少控制模塊的存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)，最終將所有的系統(tǒng)信息上傳到上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析及存儲(chǔ)。充電信息界面及上位機(jī)界面如圖9、10所示。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠正確讀取磁卡信息，并對(duì)充電過程進(jìn)行穩(wěn)定合理地控制，人機(jī)界面美觀、操作方便，系統(tǒng)反映靈敏，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

圖9 充電信息界面

圖10 上位機(jī)界面

本文提出了一種基于STM32的充電樁狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過RFID模塊獲取用戶測(cè)卡信息，并在DGUS屏上進(jìn)行存儲(chǔ)及顯示，用戶亦可通過DGUS屏的人機(jī)界面進(jìn)行信息的輸入及充電模式的選擇控制，進(jìn)而通過STM32主控模塊控制充電模塊的開始與結(jié)束。經(jīng)過測(cè)試，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，人機(jī)界面友好，反應(yīng)靈敏，功能較完善，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值及研究?jī)r(jià)值。