引言

　　隨著路上行駛的電動車比例的增加，對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使用，但是城市和農(nóng)村地區(qū)對“付費充電站”的需求也日益增長。這些充電站可讓電動車實現(xiàn)更遠的行駛距離。這就需要更高的技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)通信，包括實現(xiàn)移動支付的近場通信（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)，并需要運用先進的電表和輔助控制功能。C2000? C28x數(shù)字信號處理器（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。盡管許多場所都提供免費充電服務(wù)，但是付費充電站也很有必要。城市中有許多充電站，其外形和工作方式都與停車計時器類似，只是多了一條連接電動車的充電線。

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

　　對于信用卡充電、移動用戶手機充電甚至現(xiàn)金交易處理來說，同多個后端網(wǎng)絡(luò)通信非常必要。而對設(shè)計人員來說，他們需要它來實現(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，并集成高級保護功能，所有這些都融入到一顆單控制器中。

　　實時C2000 DSP+ARM的優(yōu)勢

　　起價僅7美元的C2000 DSP+ARM系列微控制器是一種新型混合信號、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，同時結(jié)合了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ARM Cortex-M3內(nèi)核靈活性，在混合信號、通信型系統(tǒng)中為設(shè)計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24條ADC通道、6個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，進一步減少了對于外部組件的需求。

　　C2000 DSP + ARM微控制器簡介：

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

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

　　?集成模擬外圍器件，包括24條12位ADC通道、6個模擬比較器和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，我們可以輕松地實現(xiàn)要求電壓，以及單相和三相交流電測量要求的電流監(jiān)測功能，并能對更高輸出直流型系統(tǒng)的輸出水平進行監(jiān)測。為了簡化本文的一些圖，我們把系統(tǒng)分解成2個子部分：

　　1、 受監(jiān)測的電源本身

　　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控制，但本文僅側(cè)重于更高級別的測量和通信。

　　電表應(yīng)用的C2000雙核微控制器

　　如前所述，電動車充電器目前分為三類：1級和2級代表交流充電，3級為直流快速充電。在1級和2級系統(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。這種電表簡單地連接一個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。它的工作原理與家用電表完全一樣，其監(jiān)測通過系統(tǒng)的電流，只是增加了與充電電動車之間的通信，并作為一個支付網(wǎng)關(guān)，它還可能會包含安全斷開功能。1級和2級充電器都使用電動車板上充電系統(tǒng)，其包括功率因數(shù)校正增壓級和高壓直流充電電路。1級充電器基于標(biāo)準(zhǔn)的120/240V交流級別，提供最大16安培的充電電流。2級充電可使用240V交流或者480V三相交流，但兩者都被限定為32A。另外，在1級或者2級情況下，充電器僅充當(dāng)通用電網(wǎng)和接受充電電動車之間的一個電表功能，沒有能量轉(zhuǎn)換級。

　　圖1 “智能”固定充電站的簡化信號鏈

　　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別轉(zhuǎn)換為增壓DC直流級別，能夠提供高達400安培的電流。盡管1級或者2級充電器可在4到8小時內(nèi)完成普通電動車的充電，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級充電器，1級和2級的功率級非常不同，但是這種電表應(yīng)用常用于所有這三種充電器，因為測量輸入始終為交流電源，并且在所有PFC級前面。

　　正如我們在所有充電級別中所看到的一樣，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：

　　?充電電動車的實際用電量（通常以kWh計）

　　?故障管理和系統(tǒng)保護

　　?支付處理（信用卡、智能卡、收款機或者通過NFC手機支付）

　　?商業(yè)處理通信（Wi-Fi、以太網(wǎng)或者PLC）

　　?電動車充電管理通信（CAN或者藍牙）

　　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一步將系統(tǒng)分解成許多更小的子系統(tǒng)，其第一個要求便是測量和確定消費者需要支付的千瓦小時（kWh）。

　　圖2 模擬子系統(tǒng)多相電表連接

　　電量計級利用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變流器。為了獲得更高的抗干擾能力，還可能需要添加一個分流電阻電路。當(dāng)與實時時鐘組合使用時，kWh測量處理便成為一種標(biāo)準(zhǔn)電壓和電流測量過程，它可以輕松地處理C2000器件的7個模數(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)，同時也取決于總相數(shù)。

　　利用一個數(shù)控閉環(huán)過電流保護方案（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，輸出連接至一個標(biāo)準(zhǔn)GPIO，并且使用DRV110延遲驅(qū)動器，我們可以實現(xiàn)一個閉環(huán)，即“智能”電路保護方案。這種保護方案提供由用戶或CPU控制的重置功能，同時具有低功耗構(gòu)架，并減少了所需外部組件的數(shù)目。

　　圖3 利用DRV110和延遲實現(xiàn)線路斷開

　　繼續(xù)信號鏈討論，需要考慮的下一個問題是支付處理。由于C2000雙核器件擁有一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ARM Cortex-M3內(nèi)核，因此我們在主控制器中便可運行商業(yè)處理服務(wù)。今天，支持處理的主要形勢為直接信用卡刷卡或者使用收款機、投幣機，或者還可以使用手機通過NFC功能實現(xiàn)支付。處理信用卡要求更強大的處理能力，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ADC輸入，可以實現(xiàn)信用卡直接讀取（直接從磁條頭讀?。Ａ硗?，多個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處理器可以實現(xiàn)收款或者投幣系統(tǒng)，但為了簡單起見，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上較常見，它讓客戶可以通過其手機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別技術(shù)。每一部手機或具備NFC功能的設(shè)備，都有其獨特的身份識別代碼，它與一個支付賬戶相關(guān)聯(lián)。當(dāng)用戶把手機靠近某個基于NFC通信技術(shù)的支付網(wǎng)關(guān)時，便被要求輸入一個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，這一點很重要。它本身就對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，實現(xiàn)對無線Wi-Fi通信的支持。SimpleLink是一種獨立的無線解決方案，為無線接入提供一種簡單的解決方案，可實現(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充軟件。通過一個標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，便可將CC3000器件連接至C2000主處理器。

　　對于那些沒有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)核的計算能力，除前面講到的主機通信和測量功能以外，設(shè)計人員還可以在相同器件上實現(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還提供一個配套模擬前端器件即AFE031，以完成PLC實現(xiàn)。關(guān)于PLC需要注意的一點是，在歐洲的一些使用案例中，CENELEC PLC實際用于汽車通信，而非電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。

　　除提供多種通用協(xié)議主機通信支持以外，C2000雙核器件還包括2個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選擇一種專有充電器的CAN通信接口，從而讓該選項可用。

　　目前，SAE和ACEA委員會以及多家汽車制造廠商正在對數(shù)種智能通信協(xié)議進行評估，以開發(fā)出一種單獨的世界“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“信號針腳”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，但還是會有一個1Khz方波信號被注入到充電電路的L1線路中，然后通過接地針腳返回。在接受充電的電動車內(nèi)部，通過使用一個具有電動車可接受的充電水平電阻器二極管電路，使電路閉合。然后，通過充電器對其進行監(jiān)測，以確定電動車的正確充電電量，并在無閉合電路時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，因為在連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通道中的一條可對其進行采樣。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)，以簡化電動車充電器付費電表應(yīng)用的設(shè)計。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。
　　作者：德州儀器 （TI） C2000微控制器市場營銷經(jīng)理 Brett Novak

本文轉(zhuǎn)摘自電子發(fā)燒友網(wǎng)《汽車電子特刊》5月刊

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