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摘要：以ARM嵌入式工控模块T2387I为硬件核心，结合嵌入式实时操作系统μC/OS-II，完成了一种电动汽车交流充电桩的设计。通过分析交流充电桩的结构和充电桩的功能需求，设计了控制系统的硬件电路。同时探讨了应用软件的任务优先级安排和各任务之间的关联性设计。以ARM嵌入式工控模块为核心的交流充电桩工作稳定、计量准确、操作简单、安装布设方便，系统的可扩展性强，且已通过相关机构鉴定。
关键词：嵌入式系统；电动汽车；交流充电桩；μC/OS-II
引 言
汽车是现代生活中不可或缺的交通工具，但随着能源危机和环境污染问题日益严峻，传统燃油汽车的发展面临着越来越大的压力。电动汽车凭借其在环保和节能等方面的优势，已成为汽车工业发展的必然趋势。然而，电动汽车要想得到快速广泛的普及，便捷高效的电能补给网络建设是重要的前提之一。充电系统为电动汽车运行提供能量补给，是电动汽车的重要基础支撑系统，也是电动汽车商业化、产业化过程中的重要环节。交流充电桩是指固定安装在电动汽车外，与交流电网连接，为电动汽车车载充电机提供交流电源的供电装置。
1 交流充电桩的结构
交流充电桩是一种为备有车载充电机的电动汽车提供交流电源，并能对充电过程进行控制的装置。交流充电桩可对充电的电量及费率的计量实现多种充电控制方式，也可实现与上位机的通信，可将充电信息传递到上位机进行保存、处理等，实现电能的统计和对交流充电桩的管理。交流充电桩整体框图如图1所示。
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图1交流充电桩工作整体框图
电源与辅助电源为整个系统提供工作的电源；主电路单元由断路器、智能电表和接触器等组成，主电路中还包括避雷器、熔断器等，提高交流充电桩的安全性。控制单元的核心是工控模块T2387I，还包括继电器和急停按钮等；人机交互单元由指示灯、液晶屏、键盘和射频读卡器等组成，提供良好的人机交互环境；通信单元利用CAN接口完成与上位机的CAN通信。
2 电动汽车交流充电桩的功能需求分析
电动汽车交流充电桩是实现对电动汽车充电与控制的设施，设计时应保证充电桩与电动汽车之间可靠、方便地进行交互。同时，充电桩负责将充电过程中的数据实时地发送到后台监控系统，以便充电站管理人员准确了解到充电信息，从而实现对充电过程的远程监控与控制。电动汽车交流充电桩具有以下功能：
（1）运行可靠。充电桩可靠运行是必须首先满足的功能，在充电桩运行过程中，局部故障不能影响整个系统的正常工作；充电桩设备采用模块化结构，便于故障排除和替换；充电桩具备处理同时发生的多个事件的能力；充电桩具备防雷和抗强电磁干扰能力。
（2）数据安全。充电桩应实行操作权限管理，按工作性质对每个操作人员赋予不同权限，系统登录、操作进行权限查验；充电桩所有重要操作，如登录、控制、退出等，均有操作记录，系统可对操作记录进行查询和统计，所有操作记录具有不可删除和不可更改性；网络安全保护，保证系统数据和信息不被窃取和破坏；充电桩保存的重要数据，具有不可删除和不可更改性。
（3）直观清晰的人机交互界面。充电桩应具备直观清晰的操作界面，方便用户进行充电操作。充电桩采用全中文图形化界面；提供对系统操作的在线中文帮助，用户根据帮助指示就可以实现自助充电；充电桩可以显示运行工况的图形画面和曲线图。
（4）历史数据查询。用户可以在充电桩上查询到历史充电数据，包括充电时间、地点以及充电电量等信息。充电桩支持以曲线的形式显示历史充电数据。
（5）计量计费。充电桩可以根据从电能表上提取的电量信息计算出用户充电消费的金额。充电桩采用复费率电能表，并根据国家费率电价规定，计算出总费用，同时还将数据进行保存备份，并发送到后台进行实时监控。
3 交流充电桩硬件构成
要想实现以上的功能，电动汽车交流充电桩必须有完备的硬件条件作为支撑。该充电桩的控制部分选用T23871嵌入式ARM开发板，该开发板性能稳定，上面提供多种数据接口，有利于电路简化，实现复杂的控制功能。处理器采用LPC2387微处理器，运行频率是48MHz，包含芯片PCF8563，预装μC/OS-II实时操作系统，内置CAN总线协议，为设计人员提供了功能强大、简单易用的开发平台。T2387I工控模块满足交流充电桩的控制要求，而且系统的稳定性和可靠性高。
4 软件设计
选用μC/OS-II作为本设计的软件平台，它是一种具有可剥夺性多任务内核的实时操作系统，移植方便，而且稳定性和可靠性好。μC/OS-II的系统资源丰富，最多可管理64个任务，并提供信号量、消息邮箱、消息队列及内存管理等系统级服务，用户还可根据需要进行裁剪。因此，比较适合于中小型实时控制系统。
4.1 任务规划
为实现交流充电桩的功能要求，本文设计了以下任务：按键查询任务、按键处理任务、LCD显示任务、IC卡读写任务、充电参数设置任务、充电过程控制任务、看门狗及异常检测任务。其中，按键查询任务和看门狗及异常检测任务设置为周期性任务。任务规划的关键是任务优先级的分配，根据任务的关联性、关键性、紧迫性、频繁性、快捷性和传递性，进行最终的确定的。
4.2 任务关联设计
任务关联设计如图2所示。系统应用软件包括７个任务，其中，按键查询任务延时循环检测按键输入，并将输入键值通过消息邮箱传递给按键处理任务实现按键控制，或传递给参数设置任务完成充电参数输入；按键处理任务接收输入键值并相应驱动软件的工作流程；充电参数设置任务接收输入参数值并保存为全局变量；IC卡读写任务接收信号量在适当的时机进行寻卡及读写操作，并利用信号量对充电过程实现启停控制；喂狗及异常检测任务以一定的周期循环，阻止看门狗溢出，在出现异常时进行故障处理，并通过消息邮箱停止充电过程；LCD显示任务接收到其他任务的信号量通知后，更新当前显示信息。软件设计中，各任务优先级之间有一定的间隔，将来在更新任务或增加一个新任务时，能在不改变现有优先级分配的情况下，轻松找到一个合适的空闲优先级，为系统的改进和升级提供了便利。操作系统的时钟节拍设为10ms，可以满足充电桩的实时性要求。经过调试，软件运行稳定，人机交互响应及时，电能计量与收费准确，数据通信可靠。
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图二 任务关联设计
结束语
介绍了以T2387I为基础的交流充电桩的控制系统的硬件组成，完成了基于μC/OS-II多任务操作系统中各个任务的设计，以工控模块T2387I为核心的交流充电桩完全符合电动汽车充电控制的要求，工作稳定、反应灵敏、人机界面友好、可扩展性强，能够准确、安全的完成充电过程的控制。以ARM嵌入式工控模块为核心设计的交流充电桩具有良好的应用与开发的前景，对电动汽车产业的发展起着一定的推动作用。
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