基于CAN总线的直流充电桩控制系统设计

葛笑寒

(三门峡职业技术学院，河南三门峡472000）

现场总线以智能控制、计算机、数字通信等技术为主要内容，已经广泛应用于过程自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备中[1]。CAN总线是Controller Area Network的简称。它最早由BOSCH公司提出，用来实现汽车内部测量及执行部件之间的数据通信，它作为一种工业界的流行总线广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等各个行业中[2]。该总线具有高速、远距离、多负载的优越性，可以实现1Mbps的传输速率，传输距离可达10KM，最多可以挂接110个设备。目前大多充电设备都采用以太网作为核心管理网络、CAN总线做为现场网络的服务体系。

1. CAN总线介绍

1.1 CAN总线的特点

CAN总线可以实现多主工作，任一节点任意时刻均能够向其他节点发送数据，容易实现多级系统。CAN能够实现一点对多点及全局广播方式交换数据。工业中一般使用同轴电缆、双绞线或者光纤作为通信介质，通信距离可达10KM，通信速度最高达1Mb/s。而CAN连接的节点数取决于驱动电路。CAN节点安全性好，能够在严重错误时，自动关闭输出，使得总线上的其他设备不受影响，且接口简单易编程，很方便构成用户系统。CAN总线使用非破坏性仲裁方案，当多个节点同时传送信息时，高优先级的节点优先传输，低优先级的节点停止发送信息。CAN使用短帧结构，耗时短，不易受干扰，每帧信息都有检错措施，保证数据传输的正确性。

图1 CAN总线的分层模型

1.2 CAN总线的分层模型

CAN遵从OSI模型，如图1所示，CAN结构划分为两层：数据链路层和物理层。数据链路层由逻辑链路控制和媒体访问控制层构成，逻辑链路层的作用主要是帧接收滤波，超载通告和恢复处理，媒体访问层主要是即接收和发送。物理层由物理信令（PLS）、物理媒体附属装置（PMA）和媒体相关接口（MDI）构成，主要实现编码、解码、总线接发送信号即定义电气接口等。

2. 基于CAN总线的控制系统设计

该控制系统主要由整体结构设计、系统的控制芯片选择和通信接口设计三部分构成。

2.1 系统的整体结构

如图2所示，控制器与计费装置、读卡装置等通过RS485通信，而充电接口、电池管理系统和后台监控等通过双路CAN实现数据传递。高速CAN与电池管理系统通信，采集电池的参数、电压、电流等信号完成充电机的充电控制；高速CAN网络把充电机的信息传送给充电桩，并把信息传送给后台；高速CAN网络实现充电桩和监控系统交换数据，并获取启动、停止等充电指令命令；高速CAN和充电接口通信，防止意外断开和防止误操作[3]。

图2 直流充电系统通信结构

2.2 系统控制芯片

根据控制要求，充电桩智能控制器采用嵌入式工业控制模块CPULPC2387。该微控器自身带有512KB的高速闪存和128位的存储接口，支持32位代码在高速下运行，具有4个UART、2路CAN控制通道。该芯片自带存储卡和丰富的IO接口，且具有4组计数器、1个PWM模块和看门狗定时器等外部设备。

表1 微处理器资源分配

2.3 .CAN通信接口设计

2.3.1MAX3050ASA接口芯片

在CAN通信接口电路中，MAX3050ASA是CAN总线的一种接口芯片。它是CAN协议物理总线和控制器间的接口，能够给控制器和总线提供多样的接收功能和发送功能[4]。MAX3050ASA是MAX3050高速CAN收发器的子系统。该芯片采用5V电源供电，“RXD”和“TXD”分别为MAX3050ASA的输入端和输出端，“S”为接地端；“CANL”是CAN总线的输入端，“CANH”是输出端。MAX3050ASA的管脚功能见表2。

表2 MAX3050ASA的管脚功能

其主要特征为：速度高，最高可达2Mbps；有高速度、斜率控制、待机和关机四种操作模式；具有差动接收器，可以屏蔽电磁干扰；具有控制超时和引脚保护功能。

2.3.2CAN通信接口电路设计

CAN通信电路设计如图3所示，LPC2387的P1.0端口经光电耦合器6N137与MAX3050ASA芯片的发送数据输入端“D”相连，实现输出驱动器信号的采集功能；P1.0端口经光电耦合器后与MAX3050ASA的接收数据端“R”相连，实现驱动器输入信号的接收。“CANH”和“CANL”引脚用来采集CAN高电平和低电平输出，MAX3050ASA采用+5V电源供电。本系统采用两路CAN和后台通信，另外一路电路结构和该电路相同，只是发送数据输入端“D”端和接收数据“R”端分别经过光耦隔离后与微处理器另外一路CAN口连接。

图3 CAN通信接口原理图

3. 基于CAN总线直流充电协议制定

3.1 .术语定义

（1）主站：处于一个监控子网的中心，本处特指充电柱。

（2）数据单元（PDU）：一种特定的CAN数据帧格式。

（3）数据单元格式（PF）：一个8位数据域，用来识别协议中的数据格式，并且作为参数组的标号。

（4）特定数据单元（PS）：一个8位数据域，受PF的值制约。该域代表了目标地址（DA）或者组扩展（GE）。

3.2 协议帧定义

应用CAN总线的扩展报文，并重新定义29位标识符。在29位标识符中，一共有8个优先级，每个优先级为3位。数据类型主要由P（数据优先级）、R（保留位）、DP（页码）、PF（PDU格式位）、PS（特定 PDU位)、SA(源地址)和DATA(数据域)构成。其中DP和R都为0，另外，报文代码、目标地址和发送报文源地址分别由8位PF、PS、SA实现。接入CAN网络的任何节点都由名称和地址构成。每个节点可以有一个或者多个功能，多个节点也可以有同样的功能[5]。系统的数据通信和节点识别借助名称和地址实现。数据传输广泛采用单播和广播结合的方式传递。系统通信一般采用节点和数据块编码的形式进行。

3.3 直流桩充电流程

整个流程包括后台发送和接收监控系统的数据，同时监控系统转发后台控制命令，并接受充电桩返回信息。充电机发起的充电流程与后台发起的充电流程既相似，又不同。流程设计时尽量考虑二者的统一。如图4和5所示。

后台发起的控制流程：

图4 后台发起的充电流程图

充电桩发起的充电流程

图5 充电桩发起的充电流程图

3.4 直流桩对监控之间的通信

3.4.1 直流柜监控与充电桩传输信息

首先传递费率信息，充电桩判定没有费率或费率不合法时，充电桩向监控装置请求费率，转发给后台。当后台收到充电桩的费率请求时，监控装置下发费率至直流充电桩；当充电桩接收到后台下发的费率时，发送信息至监控装置作为对后台的应答。其次传递后台控制信息，充电机接收来自后台的命令并不直接启动，充电机监控收到后台下发的选择控制命令后，转发给充电桩；充电桩将报文首字节的最高位置清零，转发给后台；若充电桩确认信息为成功，则做出控制选择操作，否则不做处理。另外传递充电桩控制信息，监控装置收到充电桩选择命令后，监控装置若能够执行，则将报文首字节最高位置1，否则将报文首字节最高位清零，其他信息不变，发送给充电桩。充电桩发送执行或撤销命令时，若能够执行，则将报文首字节最高位置1，若无法执行则将报文首字节最高位清零，其他信息不变，发送给监控装置。

3.4.2 直流柜监控与充电桩传输消费结帐信息

用户刷卡时，直流充电桩向监控装置传送结账信息。当监控装置接收到充电桩上送的卡号和充电桩号时回送；当启动充电时，直流充电桩向监控装置上送卡号、交易编号等。当监控装置收到信息后将控制信号向直流充电装传输。

3.4.3 在工作过程中直流桩与监控的信息交互

充电桩正常工作过程中监控信息一直下发。充电桩状态数据向监控装置上传状态信息报文。包括充电连接器连接状态、充电桩异常等。当充电插头连接时（充电连接信号），BMS正常通信，监控系统将BMS状态、测量信息发送给充电桩。包括控制、状态、告警信息等。

4. 系统软件设计

系统按照模块化设计思想进行编写，包括主程序、CAN初始化程序、CAN发送数据程序、CAN接收数据程序等[6]。系统主程序流程设计如图6所示，主要包括初始化和主循环部分。

系统首先上电初始化，开通CAN的缓冲区，根据接收的命令码判断先处理的信息。根据定时器中断，进行电压、电流等信息采集，并计算后通过CAN发送数据；否则CAN中断，并读取数据，根据ID标识解析命令。最后返回，进行新的数据处理。

图6 主程序流程图

5. 结论

对充电桩控制系统进行了结构设计，对使用的微处理器和CAN接口转换芯片进行选型，并设计了CAN总线的接口电路。对充电桩的CAN通信协议制定，定义CAN总线的扩展报文，并重新定义29位标识符。充电桩能够发送和接收后台监控的数据，能够实现直流桩与监控之间的消费和信息交互，也能够实现直流桩和充电接头及电池管理系统的交互。最后，基于模块化设计了CAN总线的程序流程。能够实现充电桩和充电机及电池管理系统的联动运行。