摘  要： 針對(duì)目前電動(dòng)自行車(chē)大量增加，同時(shí)充電問(wèn)題困難的情況，設(shè)計(jì)了一種小區(qū)用刷卡付費(fèi)電動(dòng)車(chē)充電樁，可以解決小區(qū)內(nèi)私拉亂接電線為電動(dòng)車(chē)充電的問(wèn)題。充電樁收費(fèi)采用M1卡進(jìn)行結(jié)算，通過(guò)時(shí)間控制繼電器的通斷實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)的充電，按照充電時(shí)間進(jìn)行收費(fèi)。充電剩余時(shí)間采用LED液晶顯示，每臺(tái)充電樁可以控制10路負(fù)荷的通斷。該充電樁還能夠?qū)﹄妱?dòng)車(chē)充電負(fù)荷進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)負(fù)荷超過(guò)限值時(shí)斷開(kāi)負(fù)載，保證電動(dòng)車(chē)充電故障時(shí)能隔離故障。實(shí)踐證明，充電樁能夠正常付費(fèi)工作，方便地解決了城市小區(qū)居民對(duì)電動(dòng)車(chē)充電。

　　關(guān)鍵詞： 電動(dòng)自行車(chē)；充電樁；M1卡

0 引言

　　作為新型、節(jié)能、高效的交通工具，電動(dòng)自行車(chē)日益受到市民的歡迎。同時(shí)，由于電動(dòng)車(chē)電池特別是摩托式電動(dòng)車(chē)電池不易拆卸，小區(qū)存在隨意私拉、亂接電線給電動(dòng)自行車(chē)充電的現(xiàn)象，給小區(qū)埋下巨大的安全隱患。市場(chǎng)呼喚一種方便進(jìn)行充電的設(shè)備[1]。2014年6月4日，鄭州市公安局、城鄉(xiāng)規(guī)劃局、城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)、住房保障和房地產(chǎn)管理局、民政局聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于在住宅小區(qū)建設(shè)電動(dòng)自行車(chē)充電庫(kù)（棚）的通知》，要求按照市場(chǎng)化運(yùn)行模式，規(guī)劃增建或改建電動(dòng)自行車(chē)充電庫(kù)（棚），同時(shí)杜絕私拉亂接電線進(jìn)行[2]。電動(dòng)自行車(chē)充電樁可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)自行車(chē)的充電，同時(shí)實(shí)現(xiàn)按照充電時(shí)間收費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)自行車(chē)充電的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，可以滿足電動(dòng)自行車(chē)充電的要求。

1 電動(dòng)自行車(chē)充電樁模式

　　目前市場(chǎng)上常見(jiàn)充電樁模式主要有兩種，一種是提供低壓直流電（如48 V），直接對(duì)電動(dòng)車(chē)蓄電池充電，供電動(dòng)自行車(chē)快速充電，但是這種方案只能解燃眉之急，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)大大縮短蓄電池的使用壽命[3-4]。同時(shí)由于各種電動(dòng)車(chē)的蓄電池電壓不同[5]，需要制作多種電壓規(guī)格。此外，由于針對(duì)蓄電池的充電方法日新月異，人們不斷提出如分級(jí)恒電流充電法、脈沖式充電法、定化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)法、變電流間歇/定電壓充電法、變電壓間歇充電法、模糊控制充電法等[6]，單一的提供低壓直流電的充電方法無(wú)法適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)延長(zhǎng)蓄電池壽命的要求[7]。

　　另外一種是直接提供220 V交流電供電動(dòng)自行車(chē)充電，電動(dòng)車(chē)充滿電需要耗時(shí)幾個(gè)小時(shí)，適用于慢速充電場(chǎng)合，需要電動(dòng)車(chē)自帶充電器。這種充電方法可以針對(duì)每一臺(tái)電動(dòng)車(chē)采用合適的充電器，延長(zhǎng)蓄電池壽命，特別適合在小區(qū)以及電動(dòng)自行車(chē)充電站使用。

2 充電樁架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本文所設(shè)計(jì)的充電樁架構(gòu)設(shè)計(jì)分為付費(fèi)模塊、控制模塊和檢測(cè)模塊3個(gè)模塊。其中付費(fèi)模塊與控制模塊之間采用I2C總線進(jìn)行通信，控制模塊與檢測(cè)模塊之間通過(guò)UART口進(jìn)行通信，如圖1所示。采用多個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)使得多個(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì)分離，其中一個(gè)模塊的軟件更改不會(huì)影響到其他軟件，大大簡(jiǎn)化了軟件的設(shè)計(jì)，有利于設(shè)計(jì)出健壯可靠的軟件。

3 付費(fèi)模塊設(shè)計(jì)

　　本充電樁采用商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式。市場(chǎng)上常用的售電付費(fèi)模式主要有投幣式和刷卡式。由于投幣式需要預(yù)先準(zhǔn)備零錢(qián)，同時(shí)維護(hù)方需要定期取錢(qián)，運(yùn)作起來(lái)比較麻煩，本設(shè)計(jì)購(gòu)售電采用刷卡方式進(jìn)行。

　　3.1 付費(fèi)卡設(shè)計(jì)

　　刷卡采用M1卡進(jìn)行。M1卡是一種無(wú)源被動(dòng)式射頻卡，屬于非接觸邏輯加密卡，技術(shù)成本低廉，交易流程簡(jiǎn)明，系統(tǒng)架構(gòu)較為簡(jiǎn)單，常用于門(mén)禁以及付費(fèi)系統(tǒng)[8-9]。M1卡的能量和數(shù)據(jù)都由天線來(lái)傳輸。當(dāng)射頻接口電路接收到13.56 MHz的調(diào)制信號(hào)后，將信號(hào)送至調(diào)制解調(diào)模塊，經(jīng)過(guò)整流電路和穩(wěn)壓電路將正弦波轉(zhuǎn)化為方波后輸出，以支持卡內(nèi)電路的工作。M1卡分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)4塊，共64塊數(shù)據(jù)。其中第0扇區(qū)的塊0用于存儲(chǔ)廠商代碼，已經(jīng)固化，不可更改。其他各扇區(qū)的塊0、塊1、塊2為數(shù)據(jù)塊，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；塊3為控制塊，存放密碼A、存取控制字、密碼B。M1卡各扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨(dú)立的，可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定各自的密碼存取控制。

　　M1卡采用一卡一密的方式進(jìn)行加密，密碼A和密碼B配合使用。同時(shí)針對(duì)居民對(duì)電動(dòng)自行車(chē)充電需要的用電量較小、金額有限[2]，對(duì)單個(gè)M1卡實(shí)現(xiàn)最大金額限制，使得用戶(hù)破解密碼的成本小于收益成本，保證M1卡的安全性。

　　3.2 讀寫(xiě)卡模塊設(shè)置

　　用戶(hù)只需要在充電樁上刷卡區(qū)刷一下就可以完成一次購(gòu)電。用戶(hù)通過(guò)M1卡刷卡購(gòu)買(mǎi)用電時(shí)間，充電樁根據(jù)用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)用電時(shí)間對(duì)相應(yīng)的插座供電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)自行車(chē)的充電。

　　讀寫(xiě)卡芯片采用復(fù)旦微電子設(shè)計(jì)的FM1702芯片實(shí)現(xiàn)。FM1702是基于ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸卡讀卡機(jī)專(zhuān)用芯片，采用0.6 m CMOS EEPROM工藝，支持13.56 MHz 頻率下的typeA非接觸通信協(xié)議，支持多種加密算法，兼容Philips的MF RC530（SPI接口）讀卡機(jī)芯片。芯片采用高集成度的模擬電路，只需最少量的外圍線路，操作距離可達(dá)10 cm，內(nèi)部帶有加密單元，支持SPI接口模式，發(fā)射口采用單端輸出。基于FM1702讀寫(xiě)芯片設(shè)計(jì)的非接觸式IC卡讀寫(xiě)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定、易于維護(hù)，被廣泛應(yīng)用于校園一卡通、考勤、門(mén)禁等不同領(lǐng)域[10-11]。

　　FM1702的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 控制模式設(shè)計(jì)

　　為了經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品，該充電樁可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多路插座市電的獨(dú)立通斷控制。對(duì)充電回路的控制通過(guò)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)。用戶(hù)可以通過(guò)按鍵選擇相應(yīng)的市電通路，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)通路的購(gòu)電。

　　相對(duì)于目前常用的采用保險(xiǎn)絲限制電動(dòng)車(chē)充電功率的做法[12]，本文采用了對(duì)功率進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的方法，當(dāng)功率超過(guò)限值時(shí)，斷開(kāi)該回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的限制。相對(duì)于采用保險(xiǎn)絲的做法，本文方法減少了故障次數(shù)，也省掉了更換保險(xiǎn)絲的麻煩。

　　正確購(gòu)電后，相應(yīng)回路的剩余充電時(shí)間通過(guò)LED顯示，用戶(hù)可以看到剩余充電的分鐘數(shù)。當(dāng)剩余充電的時(shí)間為0時(shí)，自動(dòng)斷開(kāi)繼電器，完成充電。

5 控制器硬件設(shè)計(jì)

　　產(chǎn)品各模塊硬件主芯片均采用ST公司的STM8S系列芯片。STM8S是基于8位框架結(jié)構(gòu)的微控制器，其CPU內(nèi)核有6個(gè)內(nèi)部寄存器。STM8S系列芯片的核具有16 MHz的內(nèi)部晶振，具有3級(jí)流水線，總線結(jié)構(gòu)采用哈佛結(jié)構(gòu)。芯片具有32 KB Flash存儲(chǔ)器和2 KB內(nèi)部RAM。還具有128 KB內(nèi)部EEPROM，可以經(jīng)受10萬(wàn)次擦寫(xiě)。工作電壓為2.95 V~5.5 V。具有時(shí)鐘監(jiān)視功能以保證時(shí)鐘安全。具有低功耗模式，也可以單獨(dú)關(guān)閉外設(shè)時(shí)鐘。具有一個(gè)異步UART口，支持全雙工異步通信，也可支持LIN主模式通信，還可以作為IRDA SIR編碼器解碼器。具有硬件I2C口，最高速率可以達(dá)到400 kb/s；具有一個(gè)硬件SPI口，最高速率可以達(dá)到8 Mb/s。具有10路精度10位的ADC采樣端口，可以進(jìn)行模擬信號(hào)的采樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)通路電流采樣的檢測(cè)。

6 控制流程軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)代碼采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。

　　刷卡模塊實(shí)現(xiàn)用電刷卡、收費(fèi)和增加售電時(shí)間的功能。控制模塊實(shí)現(xiàn)充電回路的通斷，檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電路是否過(guò)流的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果發(fā)送給控制模塊。由控制模塊控制繼電器的通斷，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)充電回路的斷開(kāi)和閉合。

　　用戶(hù)充電過(guò)程如下：

　?。?）當(dāng)用戶(hù)需要充電時(shí)，用戶(hù)按下第n通路按鍵，控制模塊閉合第n通路繼電器，同時(shí)向檢測(cè)模塊發(fā)送第n通路檢測(cè)消息。

　?。?）檢測(cè)模塊接收到檢測(cè)命令后，根據(jù)第n通路的采樣值判斷第n通路是否正常接通。然后發(fā)送檢測(cè)結(jié)果給控制模塊。

　?。?）如果接收到通路正常消息，則控制模塊向刷卡模塊發(fā)送進(jìn)入要求充電狀態(tài)消息，刷卡模塊進(jìn)入要求充電狀態(tài)。

　　（4）刷卡模塊檢測(cè)到M1卡，進(jìn)行扣費(fèi)，如果扣費(fèi)成功，則向控制模塊發(fā)送增加扣費(fèi)時(shí)間消息。

　?。?）控制模塊接收到消息后，閉合繼電器，開(kāi)始充電，同時(shí)啟動(dòng)充電時(shí)間倒計(jì)時(shí)。

　?。?）倒計(jì)時(shí)結(jié)束，控制模塊斷開(kāi)相應(yīng)回路的繼電器，充電結(jié)束。

　　6.1 刷卡模塊軟件設(shè)計(jì)

　　刷卡模塊的程序流程如圖3所示。每隔100 ms檢測(cè)一次刷卡區(qū)是否有用戶(hù)卡，如果有用戶(hù)卡，并在用戶(hù)要求充電（即某充電回路選中）狀態(tài)，則扣費(fèi)，對(duì)相應(yīng)回路增加充電時(shí)間，同時(shí)顯示用戶(hù)卡內(nèi)的剩余金額。如果處于空閑狀態(tài)，則不扣費(fèi)，僅顯示用戶(hù)卡內(nèi)的剩余金額。

　　6.2 控制模塊軟件設(shè)計(jì)

　　控制模塊主要實(shí)現(xiàn)繼電器的通斷電，在充電模式下，當(dāng)開(kāi)始充電后，控制模塊開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，倒計(jì)時(shí)完成后，繼電器斷開(kāi)，完成本次充電。流程如圖4所示。

　　6.3 檢測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)

　　檢測(cè)模塊主要完成負(fù)載的檢測(cè)。通過(guò)芯片的AD采集功能，把接收到的模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)。AD采樣采用10位AD采樣，采樣電路集成在芯片內(nèi)部。當(dāng)接收到控制模塊的通路檢測(cè)命令時(shí)，檢測(cè)回路電流是否大于檢測(cè)門(mén)限值，當(dāng)大于檢測(cè)門(mén)限值時(shí)，判斷為電路導(dǎo)通，發(fā)送電路導(dǎo)通消息給控制模塊；反之，發(fā)送電路故障消息給控制模塊，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)電路故障情況下，不會(huì)誤對(duì)用戶(hù)卡扣費(fèi)。當(dāng)檢測(cè)到過(guò)載時(shí)，檢測(cè)模塊發(fā)送過(guò)載消息給控制模塊，控制模塊斷開(kāi)此路負(fù)載。相對(duì)于采用保險(xiǎn)絲限制電流的負(fù)載，免除了更換保險(xiǎn)絲的麻煩。

7 結(jié)論

　　本文實(shí)現(xiàn)了一種使用M1卡付費(fèi)的電動(dòng)車(chē)充電樁的軟件設(shè)計(jì)。實(shí)際使用證明，本方案設(shè)計(jì)的充電樁可以實(shí)現(xiàn)多路充電回路的通斷，用戶(hù)可以方便地使用M1用戶(hù)卡進(jìn)行購(gòu)電，同時(shí)可以對(duì)充電負(fù)荷功率進(jìn)行控制，當(dāng)用電負(fù)荷超過(guò)門(mén)限閾值時(shí)，能夠自動(dòng)跳開(kāi)相應(yīng)的繼電器，并上報(bào)出錯(cuò)信息。本文設(shè)計(jì)的充電樁免除了更換保險(xiǎn)絲的麻煩，適合小區(qū)以及社會(huì)上電動(dòng)自行車(chē)商業(yè)充電站的需求。

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