引言

隨著路上行駛的電動(dòng)車比例的增加，對(duì)于充電站的需求也隨之出現(xiàn)爆炸式的增長。盡管在一些飯店和購物中心有許多充電站供免費(fèi)使用，但是城市和農(nóng)村地區(qū)對(duì)“付費(fèi)充電站”的需求也日益增長。這些充電站可讓電動(dòng)車實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的行駛距離。這就需要更高的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)通信，包括實(shí)現(xiàn)移動(dòng)支付的近場(chǎng)通信(NFC)技術(shù)，完成支付處理的Wi-Fi、以太網(wǎng)和電力線通信(PLC)技術(shù)，并需要運(yùn)用先進(jìn)的電表和輔助控制功能。C2000? C28x數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)+ARM? Cortex?-M3器件出現(xiàn)以后，現(xiàn)在我們可以把所有這些功能集成到一顆單獨(dú)的低成本處理器中。

集成通信

今天，越來越多的人們開始使用電動(dòng)車，不管是摩托車、特種交通工具還是日常乘坐的公共交通工具。它導(dǎo)致對(duì)于充電站的需求也隨之增長，特別是在幫助這些交通工具增加行駛距離方面。盡管許多場(chǎng)所都提供免費(fèi)充電服務(wù)，但是付費(fèi)充電站也很有必要。城市中有許多充電站，其外形和工作方式都與停車計(jì)時(shí)器類似，只是多了一條連接電動(dòng)車的充電線。

到目前為止，共有三種常見的充電站(按級(jí)劃分)。1級(jí)和2級(jí)為常見的“電量計(jì)”交流電源，使用電動(dòng)車的板上充電功能?，F(xiàn)在，第三種常見充電站(目前還不能稱作一個(gè)級(jí)別)為直流“快速充電器”，其繞過電動(dòng)車板上功率因數(shù)校正(PFC)，直接向電池充電級(jí)提供400V的直流電源。所有這三種系統(tǒng)的功率電平和功率級(jí)都不同，但是都需要測(cè)量用電多少并向消費(fèi)者說明充電量，同時(shí)都要求能夠與后端網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

對(duì)于信用卡充電、移動(dòng)用戶手機(jī)充電甚至現(xiàn)金交易處理來說，同多個(gè)后端網(wǎng)絡(luò)通信非常必要。而對(duì)設(shè)計(jì)人員來說，他們需要它來實(shí)現(xiàn)其構(gòu)架的靈活性。利用TI的C2000雙核微控制器等處理器，我們現(xiàn)在可以在一顆單處理器中擁有PLC、Wi-Fi、10/100以太網(wǎng)和NFC通信的靈活性，它還能夠處理電表功能、家政管理甚至是系統(tǒng)內(nèi)的功率級(jí)控制。通過把所有東西都集成到一顆單控制器內(nèi)，我們可以減少板空間、材料清單成本，并集成高級(jí)保護(hù)功能，所有這些都融入到一顆單控制器中。

實(shí)時(shí)C2000 DSP+ARM的優(yōu)勢(shì)

起價(jià)僅7美元的C2000 DSP+ARM系列微控制器是一種新型混合信號(hào)、多核處理器器件，屬于TI MCU系列器件。它擁有C28x DSP內(nèi)核的32位處理的性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)結(jié)合了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ARM Cortex-M3內(nèi)核靈活性，在混合信號(hào)、通信型系統(tǒng)中為設(shè)計(jì)人員提供無可比擬的靈活性。開發(fā)人員還可利用這些器件的模擬處理功能，其擁有多達(dá)24條ADC通道、6個(gè)集成模擬比較器以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，包括USB、10/100以太網(wǎng)、I2C和SPI接口，以便同其他無線電技術(shù)進(jìn)行通信，從而在一顆處理器中提供一套完整的系統(tǒng)。集成內(nèi)存、電源和監(jiān)視外圍器件也都被集成到器件中，進(jìn)一步減少了對(duì)于外部組件的需求。

C2000 DSP + ARM微控制器簡(jiǎn)介：

?雙處理器技術(shù)—獨(dú)立C28x 32位控制內(nèi)核和ARM Cortex-M3通信內(nèi)核

?高達(dá)1.5MB和232KB的SRAM嵌入式閃存，用于應(yīng)用存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器

?集成模擬外圍器件，包括24條12位ADC通道、6個(gè)模擬比較器和27PWM輸出通道

?集成通信，包括USB、10/100以太網(wǎng)、I2C、SPI和CAN外圍器件

?單電源運(yùn)行

?集成上電重置和斷電重置功能

所有電表系統(tǒng)基礎(chǔ)均不超過主處理單元的模擬處理能力。利用C2000雙核器件的模擬功能，我們可以輕松地實(shí)現(xiàn)要求電壓，以及單相和三相交流電測(cè)量要求的電流監(jiān)測(cè)功能，并能對(duì)更高輸出直流型系統(tǒng)的輸出水平進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為了簡(jiǎn)化本文的一些圖，我們把系統(tǒng)分解成2個(gè)子部分：

1、 受監(jiān)測(cè)的電源本身

2、 系統(tǒng)的低壓通信端

由于我們正處理低壓和高壓系統(tǒng)，因此我們還必須考慮高壓和低壓系統(tǒng)之間的隔離要求。盡管C2000雙核器件可以處理功率級(jí)控制，但本文僅側(cè)重于更高級(jí)別的測(cè)量和通信。

電表應(yīng)用的C2000雙核微控制器

如前所述，電動(dòng)車充電器目前分為三類：1級(jí)和2級(jí)代表交流充電，3級(jí)為直流快速充電。在1級(jí)和2級(jí)系統(tǒng)中，充電站構(gòu)架看起來與大多數(shù)智能電網(wǎng)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)電表應(yīng)用非常類似。這種電表簡(jiǎn)單地連接一個(gè)單相或者三相交流電源(公共電網(wǎng))，系統(tǒng)內(nèi)沒有功率控制級(jí)。它的工作原理與家用電表完全一樣，其監(jiān)測(cè)通過系統(tǒng)的電流，只是增加了與充電電動(dòng)車之間的通信，并作為一個(gè)支付網(wǎng)關(guān)，它還可能會(huì)包含安全斷開功能。1級(jí)和2級(jí)充電器都使用電動(dòng)車板上充電系統(tǒng)，其包括功率因數(shù)校正增壓級(jí)和高壓直流充電電路。1級(jí)充電器基于標(biāo)準(zhǔn)的120/240V交流級(jí)別，提供最大16安培的充電電流。2級(jí)充電可使用240V交流或者480V三相交流，但兩者都被限定為32A。另外，在1級(jí)或者2級(jí)情況下，充電器僅充當(dāng)通用電網(wǎng)和接受充電電動(dòng)車之間的一個(gè)電表功能，沒有能量轉(zhuǎn)換級(jí)。

圖1 “智能”固定充電站的簡(jiǎn)化信號(hào)鏈

直流快速充電系統(tǒng)的工作方式很不同，它把交流電源電壓級(jí)別轉(zhuǎn)換為增壓DC直流級(jí)別，能夠提供高達(dá)400安培的電流。盡管1級(jí)或者2級(jí)充電器可在4到8小時(shí)內(nèi)完成普通電動(dòng)車的充電，但是直流增壓充電器卻可在20到30分鐘內(nèi)完成相同的充電工作。相比3級(jí)充電器，1級(jí)和2級(jí)的功率級(jí)非常不同，但是這種電表應(yīng)用常用于所有這三種充電器，因?yàn)闇y(cè)量輸入始終為交流電源，并且在所有PFC級(jí)前面。

正如我們?cè)谒谐潆娂?jí)別中所看到的一樣，在電表(支付)充電器應(yīng)用中，我們需要(或者可能需要，具體取決于記賬和通信方法)下列功能：

?充電電動(dòng)車的實(shí)際用電量(通常以kWh計(jì))

?故障管理和系統(tǒng)保護(hù)

?支付處理(信用卡、智能卡、收款機(jī)或者通過NFC手機(jī)支付)

?商業(yè)處理通信(Wi-Fi、以太網(wǎng)或者PLC)

?電動(dòng)車充電管理通信(CAN或者藍(lán)牙)

由于作為雙子系統(tǒng)器件的C2000雙核器件本身的原因，我們可輕松地劃分我們的電表系統(tǒng)，從而將所有這些功能都集成到一顆單控制器中。另外，TI為無線通信和系統(tǒng)級(jí)隔離提供多種解決方案，從而為完整封裝提供一套完整的產(chǎn)品線。

由此，我們可以根據(jù)上面列舉的各種功能進(jìn)一步將系統(tǒng)分解成許多更小的子系統(tǒng)，其第一個(gè)要求便是測(cè)量和確定消費(fèi)者需要支付的千瓦小時(shí)(kWh)。

圖2 模擬子系統(tǒng)多相電表連接

電量計(jì)級(jí)利用C2000雙核器件模擬系統(tǒng)，使用內(nèi)部ADC與C28x DSP內(nèi)核處理能力以及一個(gè)變流器。為了獲得更高的抗干擾能力，還可能需要添加一個(gè)分流電阻電路。當(dāng)與實(shí)時(shí)時(shí)鐘組合使用時(shí)，kWh測(cè)量處理便成為一種標(biāo)準(zhǔn)電壓和電流測(cè)量過程，它可以輕松地處理C2000器件的7個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入，具體取決于變流器和分流電阻是否并聯(lián)，同時(shí)也取決于總相數(shù)。

利用一個(gè)數(shù)控閉環(huán)過電流保護(hù)方案(如下所示)，我們可以通過增加主充電總線的物理延遲來提高系統(tǒng)層安全性。通過C2000雙核器件的片上模擬比較器，輸出連接至一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)GPIO，并且使用DRV110延遲驅(qū)動(dòng)器，我們可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)閉環(huán)，即“智能”電路保護(hù)方案。這種保護(hù)方案提供由用戶或CPU控制的重置功能，同時(shí)具有低功耗構(gòu)架，并減少了所需外部組件的數(shù)目。

圖3 利用DRV110和延遲實(shí)現(xiàn)線路斷開

繼續(xù)信號(hào)鏈討論，需要考慮的下一個(gè)問題是支付處理。由于C2000雙核器件擁有一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ARM Cortex-M3內(nèi)核，因此我們?cè)谥骺刂破髦斜憧蛇\(yùn)行商業(yè)處理服務(wù)。今天，支持處理的主要形勢(shì)為直接信用卡刷卡或者使用收款機(jī)、投幣機(jī)，或者還可以使用手機(jī)通過NFC功能實(shí)現(xiàn)支付。處理信用卡要求更強(qiáng)大的處理能力，但ARM Cortex-M3內(nèi)核可以提供充分的支持，并且擁有多種在線解決方案。利用微控制器的另一個(gè)ADC輸入，可以實(shí)現(xiàn)信用卡直接讀取(直接從磁條頭讀取)。另外，多個(gè)商家在線提供磁條數(shù)據(jù)解碼解決方案，或者也可以自己開發(fā)一種解決方案。盡管ARM Cortex-M3處理器可以實(shí)現(xiàn)收款或者投幣系統(tǒng)，但為了簡(jiǎn)單起見，我們將把它們看作為一些使用C2000雙核主處理器數(shù)字接口的單獨(dú)系統(tǒng)。

最近，NFC作為一種支付方式獲得了普遍使用。這種情況在新推出的手機(jī)上較常見，它讓客戶可以通過其手機(jī)賬單功能直接購買服務(wù)。NFC是一種超短距離通信標(biāo)準(zhǔn)，其原理非常接近于射頻身份識(shí)別技術(shù)。每一部手機(jī)或具備NFC功能的設(shè)備，都有其獨(dú)特的身份識(shí)別代碼，它與一個(gè)支付賬戶相關(guān)聯(lián)。當(dāng)用戶把手機(jī)靠近某個(gè)基于NFC通信技術(shù)的支付網(wǎng)關(guān)時(shí)，便被要求輸入一個(gè)PIN碼，其使用方式與借記卡類似。在完成銀行(支付賬戶)安全交易并驗(yàn)證通過以后，用戶便可享受相應(yīng)的充電服務(wù)。把C2000雙核器件的處理能力同NFC芯片組(例如：TRF7970)結(jié)合以后，開發(fā)人員便能將這種功能直接集成到主處理器中，從而進(jìn)一步減少了所需組件的數(shù)目。

C2000雙核微控制器通信層

由于我們已經(jīng)為你簡(jiǎn)要介紹了支付處理，現(xiàn)在，我們需要討論C2000器件所支持的通信層，這一點(diǎn)很重要。它本身就對(duì)IPv6 10/100 TCP/IP棧提供軟件支持，并支持有線以太網(wǎng)的內(nèi)部以太網(wǎng)媒介訪問控制(MAC)。

除有線以太網(wǎng)外，C2000雙核器件還通過SimpleLink? CC3000解決方案的軟件支持，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線Wi-Fi通信的支持。SimpleLink是一種獨(dú)立的無線解決方案，為無線接入提供一種簡(jiǎn)單的解決方案，可實(shí)現(xiàn)小型化無線B/G協(xié)議，擁有IPv4 TCP/IP棧，并包括高無線安全性的補(bǔ)充軟件。通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，便可將CC3000器件連接至C2000主處理器。

對(duì)于那些沒有Wi-Fi或者以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)來說，C2000雙核器件還提供了PLC靈活性。利用C28x內(nèi)核的計(jì)算能力，除前面講到的主機(jī)通信和測(cè)量功能以外，設(shè)計(jì)人員還可以在相同器件上實(shí)現(xiàn)PRIME、G3、CENELEC和FlexOFDM等低頻窄帶標(biāo)準(zhǔn)，并且所有標(biāo)準(zhǔn)都可配置。TI還提供一個(gè)配套模擬前端器件即AFE031，以完成PLC實(shí)現(xiàn)。關(guān)于PLC需要注意的一點(diǎn)是，在歐洲的一些使用案例中，CENELEC PLC實(shí)際用于汽車通信，而非電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。

除提供多種通用協(xié)議主機(jī)通信支持以外，C2000雙核器件還包括2個(gè)CAN控制器，用于連接充電車輛(如果有的話)。盡管它現(xiàn)在還不是一種充電通信標(biāo)準(zhǔn)，但一些汽車制造廠商可能會(huì)選擇一種專有充電器的CAN通信接口，從而讓該選項(xiàng)可用。

目前，SAE和ACEA委員會(huì)以及多家汽車制造廠商正在對(duì)數(shù)種智能通信協(xié)議進(jìn)行評(píng)估，以開發(fā)出一種單獨(dú)的世界“標(biāo)準(zhǔn)”插頭接口，從而確保汽車和充電器之間的通用性。但是，作為SAE J1772和IEC 61851標(biāo)準(zhǔn)的組成部分，目前的充電器均使用兩個(gè)“信號(hào)針腳”來幫助為充電系統(tǒng)提供預(yù)防性安全措施。盡管很少有真正的通信，但還是會(huì)有一個(gè)1Khz方波信號(hào)被注入到充電電路的L1線路中，然后通過接地針腳返回。在接受充電的電動(dòng)車內(nèi)部，通過使用一個(gè)具有電動(dòng)車可接受的充電水平電阻器二極管電路，使電路閉合。然后，通過充電器對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確定電動(dòng)車的正確充電電量，并在無閉合電路時(shí)從交流電壓斷開充電線。這樣便提高了人操作充電器的安全性，因?yàn)樵谶B接以前充電線上沒有電壓。通過使用C2000雙核器件的PWM生成器，這種信號(hào)可被注入到L1線中，然后通過接地線反饋，內(nèi)部ADC通道中的一條可對(duì)其進(jìn)行采樣。為了降低系統(tǒng)復(fù)雜程度，這種功能可與前面講到的過電壓/過電流安全斷開系統(tǒng)集成到一起。

總結(jié)

本文中，我們研究了幾種通信協(xié)議以及一些電表功能，它們均可集成到一塊單微控制器內(nèi)，以簡(jiǎn)化電動(dòng)車充電器付費(fèi)電表應(yīng)用的設(shè)計(jì)。盡管我們主要側(cè)重于EV充電器應(yīng)用，但是所有這些功能可用于任何單或者三相交流電系統(tǒng)電表應(yīng)用，包括家庭應(yīng)用。