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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，但是城市和農村地區對“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更遠的行駛距離。這就需要更高的技術來實現系統內通信，包括實現移動支付的近場通信（NFC）技術，完成支付處理的Wi-Fi、以太網和電力線通信（PLC）技術，并需要運用先進的電表和輔助控制功能。C2000? C28x數字信號處理器（DSP）+ARM? Cortex?-M3器件出現以后，現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，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。現在，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絡進行通信。
對于信用卡充電、移動用戶手機充電甚至現金交易處理來說，同多個后端網絡通信非常必要。而對設計人員來說，他們需要它來實現其構架的靈活性。利用TI的C2000雙核微控制器等處理器，我們現在可以在一顆單處理器中擁有PLC、Wi-Fi、10/100以太網和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內的功率級控制。通過把所有東西都集成到一顆單控制器內，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內核的32位處理的性能優勢，同時結合了工業標準ARM Cortex-M3內核靈活性，在混合信號、通信型系統中為設計人員提供無可比擬的靈活性。開發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標準的通信協議，包括USB、10/100以太網、I2C和SPI接口，以便同其他無線電技術進行通信，從而在一顆處理器中提供一套完整的系統。集成內存、電源和監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—獨立C28x 32位控制內核和ARM Cortex-M3通信內核
?高達1.5MB和232KB的SRAM嵌入式閃存，用于應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、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
所有電表系統基礎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要求電壓，以及單相和三相交流電測量要求的電流監測功能，并能對更高輸出直流型系統的輸出水平進行監測。為了簡化本文的一些圖，我們把系統分解成2個子部分：
1、 受監測的電源本身
2、 系統的低壓通信端
由于我們正處理低壓和高壓系統，因此我們還必須考慮高壓和低壓系統之間的隔離要求。盡管C2000雙核器件可以處理功率級控制，但本文僅側重于更高級別的測量和通信。
電表應用的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級系統中，充電站構架看起來與大多數智能電網應用的標準電表應用非常類似。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），系統內沒有功率控制級。它的工作原理與家用電表完全一樣，其監測通過系統的電流，只是增加了與充電電動車之間的通信，并作為一個支付網關，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，其包括功率因數校正增壓級和高壓直流充電電路。1級充電器基于標準的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，充電器僅充當通用電網和接受充電電動車之間的一個電表功能，沒有能量轉換級。
圖1 “智能”固定充電站的簡化信號鏈
直流快速充電系統的工作方式很不同，它把交流電源電壓級別轉換為增壓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）
?商業處理通信（Wi-Fi、以太網或者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，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品線。
由此，我們可以根據上面列舉的各種功能進一步將系統分解成許多更小的子系統，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 模擬子系統多相電表連接
電量計級利用C2000雙核器件模擬系統，使用內部ADC與C28x DSP內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。當與實時時鐘組合使用時，kWh測量處理便成為一種標準電壓和電流測量過程，它可以輕松地處理C2000器件的7個模數轉換器輸入，具體取決于變流器和分流電阻是否并聯，同時也取決于總相數。
利用一個數控閉環過電流保護方案（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，輸出連接至一個標準GPIO，并且使用DRV110延遲驅動器，我們可以實現一個閉環，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，同時具有低功耗構架，并減少了所需外部組件的數目。
圖3 利用DRV110和延遲實現線路斷開
繼續信號鏈討論，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標準ARM Cortex-M3內核，因此我們在主控制器中便可運行商業處理服務。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功能實現支付。處理信用卡要求更強大的處理能力，但ARM Cortex-M3內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，可以實現信用卡直接讀取（直接從磁條頭讀取）。另外，多個商家在線提供磁條數據解碼解決方案，或者也可以自己開發一種解決方案。盡管ARM Cortex-M3處理器可以實現收款或者投幣系統，但為了簡單起見，我們將把它們看作為一些使用C2000雙核主處理器數字接口的單獨系統。
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。NFC是一種超短距離通信標準，其原理非常接近于射頻身份識別技術。每一部手機或具備NFC功能的設備，都有其獨特的身份識別代碼，它與一個支付賬戶相關聯。當用戶把手機靠近某個基于NFC通信技術的支付網關時，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，用戶便可享受相應的充電服務。把C2000雙核器件的處理能力同NFC芯片組（例如：TRF7970）結合以后，開發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目。
C2000雙核微控制器通信層
由于我們已經為你簡要介紹了支付處理，現在，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，并支持有線以太網的內部以太網媒介訪問控制（MAC）。
除有線以太網外，C2000雙核器件還通過SimpleLink? CC3000解決方案的軟件支持，實現對無線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，可實現小型化無線B/G協議，擁有IPv4 TCP/IP棧，并包括高無線安全性的補充軟件。通過一個標準的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或者以太網基礎設施的地區來說，C2000雙核器件還提供了PLC靈活性。利用C28x內核的計算能力，除前面講到的主機通信和測量功能以外，設計人員還可以在相同器件上實現PRIME、G3、CENELEC和FlexOFDM等低頻窄帶標準，并且所有標準都可配置。TI還提供一個配套模擬前端器件即AFE031，以完成PLC實現。關于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，而非電網基礎設施。
除提供多種通用協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）。盡管它現在還不是一種充電通信標準，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種智能通信協議進行評估，以開發出一種單獨的世界“標準”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標準的組成部分，目前的充電器均使用兩個“信號針腳”來幫助為充電系統提供預防性安全措施。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，內部ADC通道中的一條可對其進行采樣。為了降低系統復雜程度，這種功能可與前面講到的過電壓/過電流安全斷開系統集成到一起。
總結
本文中，我們研究了幾種通信協議以及一些電表功能，它們均可集成到一塊單微控制器內，以簡化電動車充電器付費電表應用的設計。盡管我們主要側重于EV充電器應用，但是所有這些功能可用于任何單或者三相交流電系統電表應用，包括家庭應用。
作者：德州儀器 （TI） C2000微控制器市場營銷經理 Brett Novak
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