1.1课题的研究背景及意义
随着社会经济的不断发展，人们对于环境问题与能源危机有了越来越清晰的认识，这已经成为人类继续向前发展的道路上必须要解决的两个问题，节能减排已经成为的当今世界的一个主题。而电动汽车作为一种新能源交通工具，具有较高的资源利用率和无废气排放等特点，是实现节能减排和解决环境问题与能源危机的一种重要手段，也是汽车工业未来发展的重点。
一方面，全球石油资源储量的稀缺性毋庸置疑，几个大国能源紧缺问题严重，现阶段仍以石油为主要燃料的汽车产业的发展受到极大威胁。因此，发展新能源汽车成为世界汽车持续发展的必然选择。在2008年上半年石油价格从80美元一路飘升到147美元，汽车燃料的使用也随之水涨船高。在这一轮石油价格上涨期间，部分新能源汽车显示出相对使用成本优势。部分消费者为免于负担过高的燃油费用而放弃原本欲购买的传统车型，而选择石油燃料消耗相对较低的新能源汽车。汽车制造厂商也看到了新能源汽车的发展空间，开始加大研发和推广的力度。各国XX也适时推出了一些优惠政策对新能源汽车的购买和销售予以补贴，新能源汽车行业获得了前所未有的发展良机。虽然近期石油价格受全球经济衰退影响出现严重下跌，但新能源汽车技术的不断发展仍可以使部分新能源汽车保持一定的使用成本优势。
另一方面，世界各国家和地区汽车尾气排放标准越来越严格。现今汽车尾气己成为组成温室气体的重要污染物。针对汽车污染问题，世界各个国家和地区针对汽车尾气排放的标准也越来越严格，而为了应对不断严格的汽车尾气排放标准，各大汽车厂商目前主要采取提高传统能源汽车发动机相关技术的方法，以提高排放质量，但技术提升的难度将会越来越大。此时，发展新能源汽车成为各大厂商的新选择，因为新能源汽车的生产和使用会从根本上解决汽车尾气排放问题。
因而大力发展新能源汽车用以取代化石燃料汽车成为当代社会的共识。而新能源汽车中又以电动汽车的发展最为迅速，成为各个国家重点的发展对象。在我国，虽然对电动汽车的研究及推广的时间较主要发达国家起步较晚，但近年来在国家的大力推广下，发展极为迅速，已经走到了电动汽车行业发展的第一集团。而保障电动汽车正常运行的充电基础设施也得以快速发展，2015年，国家发展及改革委员会印发了《电动汽车充电基础设施发展指南（2015-2020年）》，该指南对我国当前的充电基础设施的现状进行了总结并给了肯定，同时指出了当前充电基础设施发展过程中所存在的问题与挑战，并预测与展望了充电基础设施未来的需求以及发展方向，为我国的电动汽车充电基础设施提供了发展目标、指导思想与原则。该指南指出了我国充电基础设施的现状，截至2014年底,全国共建成充换电站780座，交直流充电桩3.1万个，为超过12万辆电动汽车提供充换电服务，电动汽车与充电桩的比例约为4:1，这显然不能满足当前电动汽车行业快速发展所产生的需求；同时，该指南指出，根据当前的新能源推广政策以及当前的发展速度，到2020年，我国的电动汽车保有量会在500万辆左右，而充电桩与电动汽车的比例要达到1:1左右，这就要求在5年内新建近500万台各类充电桩，显然这个需求是十分巨大的。
1.2国内外发展现状
1.2.1国外发展现状
虽然受全球经济不景气的影响，各国都减少了对基础设施的投入及产品的更新换代，但是依然重视研发，不断加大对研发的投入。
在X，近几年来，为了推广电动汽车行业的发展，X联邦XX一直联合科研机构和汽车厂商开展充电基础设施的相关研究，并投资了一系列电动汽车充电基础设施的规划项目，电动汽车产业已基本进入商业化运营阶段。到目前为止，充电基础设施已基本覆盖X全境，而在加州、伊利诺伊州和纽约州充电基础设施更是随处可见，如图1.1所示。这些充电基础设施主要是在露天或者室内停车场安放，从而实现停车和充电的一体化管理。截止到2016年9月份，X的充电桩个数已经超过44000台。而在这其中，X最大的充电基础设施运营商ChargePoint公司运营着超过16800台充电桩。X的主流充电设施主要分为3大类：交流Level1充电设施、交流Level2充电设施和直流FastCharger充电设施。其中已经具有一定规模且充电网络完善的是交流Level2充电设施，它的安装数量最多，分布也最为广泛；而直流FastCharger充电设施主要分布在高速公路附近，主要对长途驾驶的电动汽车进行充电。
在德国，Ubitricity公司正在推广一种通过改造路灯给电动汽车进行充电的充电设施，如图1.2所示。该充电设施只需对路灯进行稍微调整，就能在路灯杆上安装充电插头，然后只需一根特制的充电线，就可以通过该插头为电动汽车充电并完成结算。相比其他充电桩近万元的成本，该设施只需花费1000元左右对路灯进行改造，并且不会增加额外的空间。现阶段，该公司正对柏林的近一千个路灯进行改造以便其能作为充电桩使用，预计在不久的将来柏林的每一个路灯都能够为电动汽车提供充电功能。不过现阶段该模式还不太成熟，依然受到诸多因素的影响。
在日本，其充电基础设施主要有两个体系：一是代表日本充电行业的CHAdeMO体系，是由众多经过CHAdeMO第三方认证的充电设备生产商组成；另一个是由丰田、日产、本田、三菱等四家汽车生产企业出资设立的日本充电服务公司（NCS），目的是为电动汽车驾驶员提供一个更加方便有效的充电网络，在这种模式下，NCS会承担充电设施的建设费用及运营成本（电费、运营开支），车企某种意义上成为充电服务的购买方与享受方。
1.2.2国内发展现状
在国家的新能源政策的推动下，我国的充电基础设施的建设正在火热的推进中。为了保证车桩在充电工程中的安全性以及充电接口的一致性等，国家及能源局等相关部门出台了一系列的标准规定并将之不断更新。在国家标准方面，现行的是2015版国标，该国标从通用要求、交流与直流、充电机与BMS通信等方面进行了规定，同时规定了电动汽车与充电桩的充电接口标准以及在使用中的安全防护方面的要求，从而保证整个充电流程是确定的，让每一个充电桩都能为每一台电动汽车安全可靠的进行充电；在行业标准方面，主要有以下两个：《NBT 33008.1-2013电动汽车充电设备检验试验规范第1部分：非车载充电机》和《NBT 33008.2-2013电动汽车充电设备检验试验规范第2部分：交流充电桩》，这两个标准主要规定了充电桩的充电功能、通信方式、安全防护、电磁兼容性等检测方法和检测要求，是充电桩投入运营之前必须要通过的标准。
截止到2017年，全国公共类充电基础设施约为21万个，私人类充电基础设施约为23万个，而纯电动汽车的保有量约为80万辆，这距离2020年各类充电基础设施要达到450万个目标仍相距甚远。一方面，我国目前的充电基础设施的数量仍然严重不足，电动汽车与充电桩的比例高达4:1，完全满足不了电动汽车的日常行驶需求；而另一方面，当前充电基础设施的建设仍处于无序状态，很多车主需要充电时找不到近的充电桩，而同时很多建成的充电桩却没有电动汽车充电长时间闲置。同时，随着2015版的新国标出台，一些已经建成的充电桩不再满足现有的标准，而市场上同时充斥着新旧国标的充电桩与电动汽车，这些设备之间的接口并不兼容，导致充电过程无法正常进行。
本文研究和设计的交流充电桩是采用单相交流电为供电电源，通过在交流充电桩控制模块的控制下为电动汽车进行充电的一种充电装置，交流充电桩一般分散放置在室外，以便电动汽车能够及时且方便的进行充电。
交流充电桩要能够为用户提供方便、快捷、安全、可靠的充电服务，用户在使用充电卡给电动汽车进行充电时，操作要简洁有效，提高用户的体验感；同时交流充电桩要接入后台管理系统，以便后台进行充电数据上报、交易结算以及设备故障信息的上报，方便技术人员及时处理各种问题，从而方便运营商进行集中化的管理。
2.1系统的功能要求
在2011版的充电接口及通信协议标准刚刚实施不到四年的情况下，2015年新标准就横空而出。因为2011版的老标准与2015版的新标准不匹配，老标准的车插在新标准的桩上，充电枪很可能会被锁住。这就要求我们必须清晰地明确新旧国标之间的区别。在安全性方面，新标准增加了充电接口温度监控、电子锁、绝缘监测和泄放电路等功能，细化了直流充电车端接口安全防护措施，明确禁止不安全的充电模式应用，能够有效避免发生人员触电、设备燃烧等事故，保证充电时对电动汽车以及使用者的安全；在兼容性方面，交直流充电接口型式及结构与原有标准兼容，新标准修改了部分触头和机械锁尺寸，但新旧插头插座能够相互配合，直流充电接口增加的电子锁止装置，不影响新旧产品间的电气连接，用户仅需更新通信协议版本，即可实现新供电设备和电动汽车能够保障基本的充电功能。交流充电占空比和电流限值的映射关系与国际标准兼容，并为今后交流充电的数字通信预留拓展空间。
通过分析新旧国标的联系与区别、国内外的各种产品以及合作企业提出的各项功能需求，本文设计的交流充电桩的各项功能与指标如表2.1所示。
根据上述的功能需求，本文设计的充电桩系统的总体方案如图2.1所示。总体方案主要包括四个部分：充电桩系统、服务器、后台管理客户端以及后台管理网页端。其中充电桩主要负责供用户充电，满足充电桩的基本功能，同时可通过无线通信模块将自身的状态信息和充电数据以及交易结算数据上传到服务器；服务器主要将充电桩上传的数据保存到数据库，同时根据后台管理人员的请求向客户端和网页端提供数据；客户端和网页端主要根据管理人员的操作向用户显示充电桩以及用户的状态及信息。
根据上文的系统功能需求分析，按照系统的模块化设计原则，如图2.2所示，将交流充电桩分为以下几个功能模块：微控制器模块，用于控制整个系统的功能模块以及数据的处理；控制导引模块，用于充电过程中，对充电桩和电动汽车的连接状态进行确认、控制导引充电过程的开始及结束过程并实时监控充电过程中的电流电压等信息，并将信息提供给微控制器模块，进而控制整个充电过程；人机交互模块，用于用户与充电桩的交流，并进行各种操作，展示当前界面、充电的各项参数及将用户的操作反馈给微控制器模块，然后微控制器再控制下一步的操作；数据通信模块，用于充电桩将用户数据上传及验证，上报充电桩状态信息，上报充电过程信息以及后台对充电桩进行参数配置及数据的更新；电能计量模块，用于充电电流电压的测量，以及充电电量的计算，并将数据以供给微控制器模块，用于费用的计算；电气防护模块，用于充电桩出现各种危险情况时的紧急保护，包括水平检测、充电温度检测及漏电、过流、浪涌检测及保护，当出现上述情况时，充电桩能及时断电，保护设备安全；读写器模块，用于充电射频卡的读写，充电卡充值与充电结束时的交易结算；电源模块，用于提供能使整个设备正常工作的电源模块。
本文设计的交流充电桩是采用单相交流电供电的，即无论是为电动汽车充电还是充电桩控制电路及外部模块的电源的来源都是单相交流电。而充电桩的控制电路以及外围模块的供电电源都属于弱电，为了整个系统的安全及防干扰，或者保护后端设备不受雷击，浪涌或电压尖峰破坏，强电部分应和弱电部分隔离开来，因此，在电路的设计上，为了将强弱电隔离，采用将强电部分和弱电部分分别放在两块电路板上的方式，并在两板之间加上隔离电源，如图3.2所示。
3.2.1电源模块的需求分析
进行电源模块设计前，首先要明确本设计中各个模块的电源需求，然后再根据具体要求选择电源模块。本文设计的交流充电桩的各模块的电源电压需求如表3.1所示。
因为是单相交流电供电，而控制模块及各个功能模块的供电电源要求是直流电，所以首先要将单相交流电转换为所需要的±12V直流电。从稳定性以及可靠性方面进行考虑，本文选择市场上现有的开关电源作为单相交流电转换为±12V直流电的电源模块。经过比较，最终选择了深圳市普德新星电源技术有限公司生产的型号为GZM-H40D12-12R的双路电源变压模块，如图3.3所示。
该模块的技术参数如下：
1)工作类型：AC-DC
2)输入电压范围：176VAC~264VAC
3)额定功率：40W
4)输出电压电流：+12V 2.5A|-12V 1.0A
5)稳压精度：±3.0%
6)转换效率：0.86
7)纹波噪声：≤50mV|≤100mV
该电源模块具有效率高、可靠性高、超宽的工作温度范围等优点，同时具有短路、过压、过功率、过流等输出保护功能，完全满足本设计的需求。
在得到±12V的直流电源后，还需要将其转换为+5.0V和+3.3V的电源。关于电源模块，通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。开关稳压电源一般通过调节内部的管子的通断来调节电压的，而线性稳压电路内部一般具有参考电压，然后取外部的输出电压与取输入电压比较器，利用电压比较器的输出来控制最终的输出电压。所以线性稳压电源一般具有输出纹波小，精度高，外围电路简单等优点，但是芯片体积一般较大，转换效率不高且价格较高；而开关稳压电源具有转换效率高，成本较低，而外围电路较多，输出纹波较大。
经过多方面的比较以及从系统的实际需求进行考虑，在本文中，+5.0V的电源选用了X国家半导体公司生产的LM2576-5.0开关稳压电源模块。其在本设计中的应用电路如图3.4所示。
LM2576是一种开关型的稳压电源模块，它的输出电流可高达3A。可完全满足整个+5.0V供电系统的输入要求。此外LM2576的转换效率高达80%以上，这减少了系统运行中的一些不必要的能源损耗，有助于降低运营成本。它还具有较宽的输入电压范围，这有助于维持整个系统电源的稳定性，当输入电压受到外部干扰而产生波动时，较宽的工作电压范围有助于减少其对输出电压的影响。
而+3.3V的电源选用了奥地利微电子公司（AMS）生产的正向低压降稳压器AMS1117-3.3。其在本设计中应用电路如图3.5所示。
AMS1117-3.3是一种输出电压为3.3V的正向低压降稳压器，它通提供稳定的+3.3V电源，通常作为供电电压为+3.3V的IC芯片的供电电源。它的输出纹波很小，能使芯片在较为平稳的状态下工作，减少电源品质因素对整个系统工作的影响。
因为整个系统工作过程中，包含单相交流电、开关电源输出的±12V直流电，开关电源输出的+5V直流电、线性电源输出的+3.3V直流电以及当充电桩与电动汽车相连时汽车提供的直流电。这些电源交叉在一起，使整个系统的内部环境变得复杂，容易产生各种干扰，影响系统的稳定性。因此如上文所述，本设计中将强电部分和弱电部分分为两块电路板，而在两块电路板的电源连接部分使用了隔离电源模块来消除两块板之间的电源干扰，以交流充电桩的控制模块以及各芯片处于一个与外界信号相对隔离的环境，保障控制模块的稳定运行。
本设计中在两板间需要隔离的电源为+5V。本设计选用广州金升阳科技有限公司的隔离电源模块B0505S-3WR2。该模块在本设计中的应用电路如图3.6所示。B0505S-3WR2是一种定电压输入，隔离非稳压单路输出，3W功率的DC-DC电源模块。它是专门针对电路板上的电源系统中需要产生一组输入电源与输出电源相隔离的应用场合而设计的。该模块具有较高的工作效率，效率可达80%~84%，输出负载越高，效率越高。该模块的隔离效果也非常好，在1分钟的测试时间，输入和输出间的漏电流小于1mA。
在电路设计中通常在电源模块的输入前加上TVS过压器件瞬态抑制二极管，该类型二极管通常具有反应速度块，体积小，脉冲功率大，箝位电压低等特点，当有瞬间的较大电流和电压通过时，可以迅速的对该信号进行泄放，从而避免对后面的电路造成冲击，保护电路的稳定性。因而该二极管常常用于电路板的防静电保护。本文选用SMBJ18CA型TVS二极管用作静电保护，其在本设计中的应用电路如图3.7所示。
3.3微控制器及其外围电路设计
微控制器是整个系统的核心，它决定着整个系统在这个时间该做什么以及在某种状况下该去做什么。它控制着电路各个部分的工作和联系，将所有的资源和信息整合在一起进行分析或处理。所以，微控制器的选择是整个采集板电路设计的重中之重，选择不好，则会影响整个系统的使用。
根据系统要实现的功能以及各个功能模块与微控制器之间的联系，所需的微控制器至少满足以下条件：至少拥有三组UART引脚；至少拥有两组SPI引脚，至少拥有一组I2C引脚，至少有两个AD转换引脚。
根据上述基本条件以及对整个系统的性能及性价比的综合考虑，本文设计的交流充电桩选择NXP公司生产的基于ARM Cortex-M3内核的LPC1768单片机作为整个系统的微控制器。
3.3.1 LPC1768单片机简介
LPC1768是NXP公司推出的基于ARM Cortex-M3内核的微控制器，主要用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用。LPC1768芯片的操作频率可达100MHz，其CPU具有3级流水线和哈佛结构，因此工作效率高、速度快。
下面简要介绍一下LPC1768芯片跟本设计相关的若干特性：
(1)4个UART、带小数波特率发生功能、内部FIFO、DMA支持和RS-485支持。1个UART带有modem控制IO并支持RS-485，全部的UART都支持IrDA；
(2)SPI控制器，具有同步、串行、全双工通信和可编程的数据长度.2个SSP控制器，带有FIFO，可按多种协议进行通信。其中一个可选择用于SPI，并且和SPI公用中断。SSP接口可以与GPDMA控制器一起使用。
(3)3个增强型的IIC总线接口。IIS接口，用于数字音频输入和输出，具有小数速率控制功能。IIS接口可与GPDMA一起使用。IIS接口支持3线数据发送和接收或4线组合发送和接收连接，以及主机时钟输入输出；
(4)4个通用定时/计数器，共有8个捕获输入和10个比较输出。每个定时器都有一个外部计数输入。
3.3.2微控制器的资源分配
本文设计的充电桩因为要连接较多的功能部件并与之进行通信，所以要合理分配微控制器的管脚，以便提高微控制器的资源利用率，实现各个功能的管理和控制，本设计中微控制器的部分资源分配方案如表3.2所示，引脚分配如图所示。
3.3.2复位电路
LPC17XX系列微控制器拥有四个复位源，分别是外部RESET复位、看门狗复位、上电复位以及掉电检测复位。本部分硬件电路完成上电复位和外部复位。
由图所示的复位电路是由RC振荡器来控制RESET引脚进行复位的。RC复位电路由一个0.1uF的电容和一个10K的电阻组成。当系统上电时，电容两端突然有了电压，在这一瞬间，这个直流电对电容来说就是交流电，由于电容通交流阻直流，这时候，电容相当于短路，此时RESET引脚是低电平，然后，当电容充满电时，RESET引脚是高电平，此时单片机就要开始从程序地址0处执行了。整个复位完成所需的低电平时间由RC值决定。只有维持足够长的低电平时间，单片机才能够正常复位。
3.3.3系统时钟电路
单片机刚上电时，系统默认选择内部时钟发生器IRC进行工作的，而无需外部晶振，系统也能正常工作。但是为了保证系统的稳定性和精确性，一般选择12M晶振作为整个系统的主时钟。系统时钟电路如图3.9所示。
3.3.4看门狗电路
看门狗，又叫watchdog，是一个定时器电路，一般有一个输入，叫喂狗，一个输出到MCU的RST端，MCU正常工作的时候，每隔一端时间输出一个信号到喂狗端，给WDT清零，如果超过规定的时间不喂狗，（一般在程序跑飞时），WDT定时超过，就回给出一个复位信号到MCU，是MCU复位。防止MCU死机。看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。
本文选用的是看门狗芯片X5043。X5043是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM三种功能与一身的可控制编程芯片。该芯片减少了电路对电路板空间的要求，常常在工业控制中使用。其在本文中的应用电路如图3.10所示。
3.4连接检测电路设计
连接检测电路是交流充电桩设计的最为重要的部分之一。每次充电前和充电中，都要检测电动汽车与充电桩之间的接口连接是否正常，若不正常则充电过程不被允许或被立即停止。所以一个稳定可靠的连接检测电路是进行交流充电桩设计的重要前提。
3.4.1充电接口
充电接口是指连接供电设备与电动汽车之间的接口，由充电插头和充电插座组成。为了规范市场及方便用户充电，国家颁布了新的电动汽车充电接口及通信协议五项国家标准。该标准规定了电动汽车充电接口的通用要求、功能定义、接口结构、参数和尺寸。交流充电接口的插头和插座布置如图3.11所示，交流充电接口的端子功能定义如表3.3所示。
3.4.2控制导引电路
控制导引是充电桩和电动汽车进行连接的一个过程，它是确保充电桩和电动汽车之间安全可靠连接的关键。它具有充电桩和电动汽车连接的确认，识别电缆能通过的最大电流和充电桩的最大功率，监测充电过程中的充电桩的输出电压以及在某些情况下紧急停止充电过程。本文设计的交流充电桩的控制导引电路采用国标中推荐的充电模式3所对应的连接方式A，如图3.12所示。
其中开关S1位于充电桩电路板上，电阻R1在充电桩上的充电接口上，电阻R2、R3和二极管D1在电动汽车的充电接口上，开关S2位于电动汽车的充电控制模块上。
当充电桩未与电动汽车进行充电接口连接时，开关S1与+12V相连，此时监测点1处的电压为+12V。当电动汽车与充电桩的充电接口连接后准备充电时，充电桩内的控制电路首先测量监测点1的稳定的电压，若该点电压为+9V，此时充电桩内的控制电路确认电动汽车与充电桩的充电接口间的连接正常。待充电桩收到指令准备好向电动汽车充电时，其内部的控制电路控制开关S1与PWM信号相连，此时监测点1处的信号为峰值为+9V的PWM信号，电动汽车内部的充电控制模块测量检测点2处的信号从+12V的电平变成了峰值为+9V的PWM信号，此时电动汽车内部的充电控制模块将S2闭合。S2闭合后，检测点1处的峰值电压就变为了+6V。当充电桩内的控制电路检测到检测点1处的峰值电压为+6V时，说明整个充电导引过程完成，此时充电桩的控制电路可控制交流接触器K闭合，充电桩正式开始向电动汽车充电。
3.4.3充电接口检测电路
从上文可知，要想顺利地完成控制导引过程，充电桩必须时刻监控着检测点1的状态，即CP点的状态。经过分析可知，根据CP点的幅值即可判断充电接口和电动汽车的状态，然后可根据两者的状态来决定是否开始进行充电过程，所以只要测量出CP点的幅值，即可判断整个控制导引过程是否完成。因此充电口检测电路的核心为如何准确的测量CP点的电压且使这一过程不受外界所干扰。所以充电接口检测电路的本质就是设计用于可靠的检测CP点电压幅值的应用电路。
在本文中选用了X德州仪器公司生产的运算放大器TL082C对CP点的信号进行转换。TL082C是一种通用的J-FET双运用算放大器，其特点有：输入偏置电压和偏移电流非常低；输出没有短路保护，输入级具有较高的输入阻抗，内建频率被子偿电路，较高的压摆率；最大工作电压为18V。其在本设计中的应用电路如图3.13所示。
将CP点的电压进行转换后，便可将转换后的信号供微控制器测量。由前文可知，充电桩给电动汽车进行充电时各种信号繁杂，容易产生各种干扰，所以选择了隔离电源。而为了防止控制模块受到干扰，保证系统的稳定性，外部的信号不能直接与微控制器进行相连，使用要选用模块将微控制器和外部信号进行隔离，同时还要保证微控制器能接收到正确的信号，输出的控制信号能够准确且快速的被所要控制模块所接收。
综合上文的需求，本文设计的交流充电桩选用线性光耦作为信号隔离模块。线性光耦是一种用作模拟信号隔离的光耦器件，它能够将光耦两端的电流信号隔离，从而达到隔离效果，同时，与普通光耦不同，线性光耦增加了一个光接收电路用于反馈。就是说，线性光耦在信号两端各有一个光接收电路，这两个光接收电路都是非线性的，但是它们的非线性特性是一样的，也就意味着，通过两者的反馈可以抵消非线性，使得光耦两端的信号为线性的，从而达到线性隔离的目的。由此可见，线性光耦刚好能满足本设计的需求。
3.5监测与保护电路设计
3.5.2电气防护模块
电气防护模块主要用于保护人员和设备的安全，主要包括漏电保护、过欠压保护以及过流保护等。这些功能主要是由相关保护装置来实现的，其中保护装置包括漏电保护器、浪涌保护器等。
3.5.3紧急停止模块
紧急停止模块用于当充电桩或人员出现故障或危险时，其他保护装置未起作用，通过人员手动的方式紧急断开系统电源，保护人员和设备的安全。本文选用浙江正泰电器股份有限公司生产的型号为NP2-BE102的按钮作为急停开关，如图3.18所示。
3.6电能计量模块设计
电能计量模块用于测量整个充电过程中的电量消耗以及瞬时功率、瞬时电压、瞬时电流等参数。从可靠性等方面考虑，本文设计的交流充电桩采用电能表作为电能计量模块。
3.6.1电能表的选型
3.6.2 DL/T645-2007协议
DDS3366D1单相电子式电能表兼容DL/T645-2007和Modbus-RTU协议，本文设计的交流充电桩采用DL/T645-2007规约。
DL/T645规约是针对电表通信而制定的通信协议，主要有两个版本，分别是DL/T645-97和DL/T645-07，97代表是97年制定的协议，07则是2007年修正后的协议，目前市场上主要是07版的协议。
该协议为主从结构的半双工的一种通讯协议。一般情况下，电表作为一个从机，而其他与电表进行通信的模块为主机。多个电表可以同时接到一个主机上，由于每个电表都有自己特定的地址编码，所以在通信过程中不会发生信息的紊乱。当多个电表同时连接时，由主机发出通信请求，发送主机需要通信的电表的地址编码来进行通信的建立，并且最终由主机来断开这一通信连接，然后再次等待主机发送的下一个连接指令。
主机发送的指令信息由7个部分组成，包括起始符、电表的地址域、控制信息、数据部分的长度、数据部分、CS校验码、结束符。其具体的含义如表3.4所示。
每次主机要与电表进行通信时，会先发送四个字节FEH，用以唤醒电表。所有的数据都会先发送低位字节，然后再发送高位字节。每次通信都是从主机向选择的地址编码所对应的电表发送请求命令开始的，被请求的电表根据命令指示做出回应。字节的校验方式是偶校验，而帧校验的校验方式为纵向信息校验和，一旦校验和出错，无论是哪一个，该帧数据无效，不予处理。该规约的通信速率的标准速率为600bps、1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps。通信速率的变更过程为主机首先向电表发送连接请求，待电表应答后，向电表发送变更通信速率的请求，然后电表回复确认或否认。当主机接收到电表的确认回复后，双方边开始以新的通信速率进行通信。
3.6.3电能表通信电路设计
DDS3366D1单相电子式电能表配置有一个RS485通讯接口。该电能表的RS485通讯速率为1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps可设，出厂的默认速率为2400bps。该电能表通过该RS485接口与微控制器进行通讯，完成电能表参数的设置以及用电数据的上传。该电能表的接口如图3.20所示。
由于LPC1768单片机没有RS485通信接口，因而要使电能表能与微控制器正常通信，就要将电能表的RS485信号转换为微控制器可识别的信号。
RS485是一种在工业现场经常使用的通信协议，它因接口简单，一般只需两根线，组网方便，可一个主机与多个从机进行连接，传输距离远，干扰能力强等优点而受到广泛的使用。因为RS485可以是半双工的，所以它经常使用在局域网中，使一个主机能和多个从机进行通信。RS485通信接口是一种差分信号正逻辑，若两线之间的电压差在+2V到+6V之间，则该状态为逻辑状态“1”；若两线之间的电压差在-6V到-2V之间，则该状态为逻辑状态“2”。因为其为平衡驱动器和差分接收器的组合，所以RS485的抗干扰能力很强。
本文设计的交流充电桩使用MAX3485作为RS485信号转换的芯片，如图所示。MAX3485是用于RS485与RS422通信的3.3V、低功耗的收发器，其引脚定义如表所示。
MAX3485为半双工通信芯片，即当本机要发送数据时，其余所以对端都不能发送数据，而本机需要接收数据时，本机不能向外发送数据；MAX3485的RS485接口电平是由A端电平减去B端电平得到的，其逻辑信号满足RS485的信号标准；MAX3485的RS485接口信号是由芯片对DI引脚上的电平进行转换得到的，而RO引脚上电电平是由芯片对RS485接口信号进行转换得到的。MAX3485在本设计中的应用电路如图3.21所示。
当微控制器处于接收模式时，引脚DE和RE都为低电平，引脚RO使能，引脚DI禁能；当微控制器要发送数据时，先将引脚DE和RE置为高电平，此时MAX3485处于发送模式，然后微控制器的TXD引脚就可以向MAX3485发送数据了。
3.7交易结算模块设计
本文所设计的交流充电桩的交易结算模块采用刷卡式方案，即通过读写充电卡来进行充电交易的结算。
3.7.1充电卡的选型
目前市面上常用的支付卡片包括磁卡和IC卡。
磁卡是一种磁记录介质卡片，就是利用磁性载体来记录所需的信息，常常用于身份识别或者是支付交易。但是磁卡在使用中会受到各种因素的影响而受到损坏，同时磁卡的保密性能极差，很容易被破解，从而造成财产损失或信息泄露。不过其价格便宜，仍然受到广泛使用。
IC卡是将IC芯片嵌入到卡片中，而信息就存放在IC芯片中，使用专门的读写器就可以读出或修改IC芯片内的信息。IC卡根据使用方式可分为接触式和非接触式，接触式IC卡通过读写设备的触点与IC芯片的触点进行接触后来进行数据的读写；而非接触式IC卡是利用RFID（Radio Frequency Identification）射频识别技术来进行读卡器与IC卡芯片的通信的。非接触式IC卡具有数据存储量大、保密性能较强、使用方便、无源、非接触、卡片的损耗低等特点，不过其价格较高。
从可靠性、安全性等多方面进行考虑，最终选择非接触式IC卡作为本文所设计的交流充电桩的充电卡。而常见的非接触式IC卡包括M1卡、MF Ultra Light卡、SHC1102卡、DESFire卡、FM11RF32卡、FM11RF005M卡。从性价比以及整个项目的需求进行考虑，本设计选择了M1-S50卡作为最终的充电卡，如图3.22所示。
M1-S50卡的数据保存期可长达10年，可改写至少10万次而且可以读无限次，无需外部电源供电，自带天线，工作频率为13.56MHz，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路。
M1-S50的部分性能如下：
1)数据容量大：容量高达8Kbyte；
2)扩展性好：16个扇区（Sector），每个扇区4块（Block）（块0~3），共64块，按块号编址为0~63，内部块互补干涉；
3)安全性能好：每张卡有唯一序列号，共32位；
4)抗干扰能力强：具有防冲突机制，可以多张卡片同时操作。
3.7.2充电卡读写模块设计
本文采用NXP公司的13.56MHz无接触读写IC MFRC522进行充电卡读写模块的设计。MFRC522是高度集成的13.56MHz的非接触式读写卡芯片。此发送模块利用调制和解调的原理，并将它们完全集成到各种非接触式通信方法和协议中。该芯片支持SPI、I2C和UART接口。
该模块的引脚及说明如表3.5所示。可见其与微控制器通信采用了I2C接口。该模块在本设计中的应用电路如图3.24所示。
3.8人机交互模块设计
本文所设计的交流充电桩主要是通过带触摸功能的显示屏来进行人机交互的。一方面，显示屏要向用户显示充电的各种信息及提示；另一方面，用户通过触摸屏向微控制器发送相应的指令，从而实现良好的人机交互，体现出系统的可用性及用户友好性。
3.8.1触摸屏的选型
从实用性、可靠性以及性价比等方面进行考虑，本文设计的交流充电桩最终选用了北京迪文科技有限公司的型号为DMT80480C070_15WT的迪文DGUS屏，如图3.25所示。该屏为7.0英寸的工业级4线电阻式TFT触摸屏，分辨率为800*480，预装了DGUS软件，方便研发人员进行快速开发。
3.8.2 DGUS屏的参数及开发流程
与传统的LCM通过时序或者指令来控制显示不同，DGUS屏采用直接变量驱动显示方式，所有的显示和操作都是基于预先设置好的变量配置文件来工作的。两种不同的各种方式导致用户应用时的软件架构和二次开发难度完全不同。
DGUS的开发体系是由DGUS屏和DGUS软件所组成。DGUS开发体系如图3.26所示：
DGUS屏的引脚接口及定义如表3.7所示。
DGUS屏的通信接口支持RS485协议和RS232协议，本文根据实际需求选择使用RS485协议，波特率设置为9600。
由于LPC1768单片机没有对应的RS485引脚接口，所以DGUS屏与微控制器的通信过程中要加入转换模块，将DGUS屏的RS485信号转换为微控制器能够接受的信号。所以，此处同样选用MAX3485作为DGUS屏与微控制器进行通信的转换芯片。该芯片在本文的应用电路如图3.27所示。
3.9通信模块设计
通信模块用于实现充电桩充电数据与后台管理系统间的数据通信，传递的通信内容包括用户的充电交易结算，用户的信息修改，充电桩的实时状态，充电过程中的电参数实时上传，充电桩故障信息的上传以及后台管理系统更新配置等。
3.9.1通信方式的选择
而经过多方面的考虑，本文选择了深圳阿乐卡通讯公司设计的基于中兴微电子的297520平台开发的4G无线通讯模块MZ382，如图3.28所示。
MZ382模块适用于GSM/EDGE/TDS-CDMA/WCDMA/LTE网络，可实现全球漫游。MZ382模块设计了丰富的外围接口和强大的软件支撑平台，具备友好的二次开发软硬件平台，可以支持多种外围设备，满足用户丰富的业务功能需求。该模块具有以下主要特性：
1)GPRS/EDGE/TD-SCDMA/WCDMA/LTE数据业务
2)提供LCC/LGA混合接口
3)提供友好的软件开发接口
4)支持丰富的外部接口
5)单面PCB，2.5 mm超薄设计
6)支持多种操作系统：WindowsAndroidLinux
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