基于stm32的智能充电桩嵌入式控制系统设计

东北林业大学机电工程学院 张 尧

华中科技大学电气与电子工程学院 朱浩楠

本文将围绕智能充电桩嵌入式控制系统的总体设计与器件选择进行分析讨论，提出基于stm32的智能充电桩嵌入式控制系统设计的实现方法，并进行相应的系统调试与实验，根据实际结果可知该系统不仅能保证控制系统具有良好的稳定性，还能确保程序性能可靠。

stm32又称嵌入式单片机是专门为高性能、低功耗要求设计的ARM处理器内核，而基于其运行原理设计的控制系统能够实现智能充电桩控制能力的大幅度优化，降低经济成本的使用，确保开发后的软件能够保持良好的兼容性与实用性。为了保证各项设计方法能够有效运用，首先要对控制系统的整体设计与器件选择进行深入分析。

1 智能充电桩嵌入式控制系统的总体设计与器件择选

当前我国将绿色能源的使用作为未来工业发展方向，要求进一步加快电动汽车的研发与制造，充分发挥零污染排放、不会对环境造成破坏、成本支出相对较低、维护工作易于开展的特点。虽然该类型汽车的优势众多，但在不断研发的过程中也出现了充电难题，由于原本的充电桩在结构设计与分布上存在一定不足之处，从而造成电动车的续航能力受到影响，因此优化充电桩的设计势在必行。充电桩的设计重点在于控制系统的强化，确保充电能力得到大幅度加强。以往的设计方法，主要是要求控制器能够基于神经网络，完成相应模块与程序的控制，以模糊免疫作为节能基础、积分控制法以及SMITB控制器作为应用内容，虽然该方法能够实现控制性能的提升，但成本支出过高，适用性较差，难以完成大面积推广。因此为了确保系统的稳定运行，使各项系统功能得到良好运用，便需要对控制系统的总体结构设计进行完善与提升。

1.1 总体结构设计

首先在设计之前需要对系统的总体结构进行全面了解，明确各项功能指标，使用AD系统预先对充电桩控制系统内的6个通道进行信息采集。当前充电桩控制系统的主要设计部分可分为：软件设计，是指将主控模块作为控制核心，而其中的信号检测模块组需要由控制电路、信号接入与电源设计三部分组成；硬件设计是指ARM电路板、调理电路、时钟设计等。具体的控制系统总体设计流程可分为：由供电设置向AD采集系统供电，完成电流、电压、差压传感器与调理电路的有效连接，实现与嵌入式ARM主控板间的信号传递与数据传输。其次要依照总体设计架构，完成功能指标分析，控制系统的输入电压范围通常为：+/-220V和+/-360V，可以维持600khz的连续工作，并且最高采样速率在300khz左右，能够将CACHE与4路组有机结合，具有低能耗的优势，可以支持异步存储器。而系统的稳压功耗为150mw，包含CAN2.0接口。

1.2 建立开发环境

通过对以上设计框架与功能指标进行深入分析，明确模块化设计的内容，可知系统设计所使用的低功耗ARM控制器可以作为控制系统的控制器。该系统的设计环境要以LINUX作为运行平台，利用8位与16位控制器完成控制系统软件程序的开发与实现，可以在用户终端上保证充电桩复杂功能的有效应用。同时软件系统的开发环境通常以交叉编译为主，是指开发环境理应安装在服务器系统当中，所开发出的相应系统也应在嵌入式计算机中完成运行。在建立开发环境过程中可将CHANVECTOUR作为采集通道列表，FS当作采样频率，并借助外部存储器完成执行程序加载、从ROM内启动执行程序，从而引导装载模式的运行，使控制系统的目标板与宿主机能够使用网线、USB进行连接。

在操作系统选择上则需以LINUX为主，需要在WINDOWS系统中安装CYGWIN，并将提前编译好的数据传送到系统当中，之后由控制系统进行PC环境的模拟，确保LINUX中的各项编译器可以完成二级制代码的GCC编译实现。而充电桩内的控制系统AD采集模块则主要由信号调理与芯片采集两部分组成，主要通过32KB的SHRM与BANK完成数据参数的存储，而采集芯片则主要负责控制信息与模拟信号的转换，使其成为能够被系统识别的数字信号，再传递到主控系统中完成数字处理。主控系统是整个充电桩控制系统的核心部分，能够借助STM32的嵌入方法完成相应设计，要求在客户端控制面板中构建联合CACHE，并采用定时器进行电动车的智能充电。

2 基于stm32的智能充电桩嵌入式控制系统设计的实现方法

2.1 硬件设计

基于stm32的智能充电桩嵌入式控制系统的硬件设计主要可分为以下四大部分：第一，传感器模块，主要是对充电信息以及相应数据参数完成收集与检测，通过看门狗、低电压两种复位方式建立信号传感器，并对充电桩的控制信息进行在线检测，同时要使用PPI外设接口设置传感器模块，要求结构组成采用半双工形式，能够支持立体声道的AD数据采集。并且该模块的结构方式要保证为串行，能够与STM32宿机完成连接，使用双路电流输出实现D/A转换，确保最大输入输出为16位的数据信息。再与AD转换器收集的控制信息有效结合，从而得到传感器模块接口电路分布状况；第二，RTC模块电路，是指能够实现控制信息的滤波、检测等调理功能，需使用ARM芯片完成LCD控制器的构建。由于STM32本身的控制时间顺序比较混乱与繁杂，而且晶振内产生的信号会在一定程度上影响采集信息的精确度，因此为了避免此类现象发生，需要提高控制系统电路的稳定性，采用RGB信号输出模型完成信号的实时检测与滤波，根据实际需要完成控制时钟的及时中断；第三，时钟电路，用于数字信息的处理，属于控制系统内的核心模块，需要使用源晶振完成电路设计。第四，STMA32的主控模块需要采用嵌入式技术进行设计，其主要数据参数如下：输入电压，14+/-0.3或12+/-8 V；AD转化器采样通道：8通道，同步与异步输入；I/O电压：24V；采样时钟：高于150 HZ。

2.2 软件开发

在有效完成硬件设计的前提下，需要以STM32的充电桩控制系统软件开发作为实现基础。该系统的软件设计平台为ARMcortex，能够支持多种控制芯片，通过嵌入式系统设计技术可以对控制系统内的电路与模块完成参量的初始化设置。而在软件开发过程中，要优先完成系统的初始化，借助对话框的形式进行同步串口的初始化，要求输出窗口能够显示编译过程，再利用C++进行程序的编写，并在CAN串口上实现地址与标号断点的布置。同时在嵌入式系统当中要进一步开发控制系统的LINUX内核以及程序软件，通过存储器进行管理，确保系统启动与远程控制功能可以顺利使用，使用simulatour以及VISUAL准确判定数组与变量所占的空间大小，再结合处理器完成程序编译工作，要求能够采用CPIO完成SPI的模拟，由控制信息检测仪测定时钟信号，分析程序代码，并通过接口配置PPIDE运行模式、数据宽度以及信号极性，保证GPIO管脚的程序配置有序完成。最后通过驱动程序完成参数配置后，需要将SPORT tclkdiv的数值设置为4，而串口的发送始终应为12MHZ，当嵌入式系统在触发CONVST模块后，便可实现充电桩信息的实时控制，整个软件开发的流程可分为：软件仿真模拟、编写高级语言源程序、编写汇编语言源程序、经过汇编器与编译器生成目标文件、通过链接器输入可执行文件、经过调试器完成软件模拟仿真以及格式转换，最终在进行固化程序的写入后嵌入目标系统。

3 系统调试

为了确保本次设计的基于STM32的智能充电桩嵌入式控制系统能够具有良好的安全性、稳定性与可行性，需要在设计完成后对系统进行相应的调式与功能试验。首先要在嵌入式环境下，构建开发编译环境，并在充电桩控制程序中进行编译工作，借助WIN32函数进行控制信息的输入与输出，同时适当进行数据参数的调整与调度。其次，在用户界面要将参数输入与信息储存划入在内，利用VCIDE与DRIVERSTUDIO编写相关驱动程序。再次，要利用API函数打开对应设备，借助DSP的地址线作为编译器的输入端，并实现充电桩的嵌入式控制，获取所需的控制信息波束，并以此作为测试指标，从而得到具体的系统测试结果。根据实验数据可知，本次设计的充电桩嵌入式控制系统能够完成稳定的波束输入与输出，且控制信息的解调性能良好，可以完成信息的实时调制，能够达到提高充电桩控制能力的目的。

结论：综上所述，通过对智能充电桩嵌入式控制系统的总体结构设计与开发环境进行分析讨论，提出具体的硬件设计与软件开发方法，从而达到提高充电控制效果的目的，优化传感器模块、时钟电路、主控系统等设计方法，实现控制数据的解调与调制能力的强化，保证控制具有较高的稳定性。