基于nRF24L01的电动汽车无线充电控制系统设计*

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(盐城工学院 电气工程学院，盐城 224051)

引 言

图1 电动汽车电磁感应式无线充电系统结构

随着电动汽车的普及与推广，对电动汽车充电方式的多样化和便利性要求越来越高。目前各国电动汽车的充电主要以充电站、充电桩或换电池的模式为主，而电池充电站建设所需的位置、土地和成本成为制约电动汽车发展的最大瓶颈。无线电能传输技术(Wireless Power Transmission，WPT)作为一项新兴技术，目前已经商业化运作，基于无线电能传输的电动汽车充电方式也成为各大汽车厂商及科研机构的研究热点。与有线充电站等接触式充电方式相比，无线充电方式可以解决火花、积尘、接触损耗及机械磨损等一系列问题，同时可以实现停车位自动充电和移动供电。随着WPT技术的成熟，电动汽车将是无线充电设备领域中最具潜力的市场[1-5]。

1 电动汽车无线充电系统结构

电动汽车无线充电系统的核心部件为非接触式电能传输系统，电磁感应式无线传输是利用感应线圈之间的交变电磁场进行的非接触式电能传输，是一种传输功率与效率较高，且最易实现的非接触式电能传输方式，也是现阶段研究和发展的重点方向。

电动汽车电磁感应式无线充电系统结构如图1所示。无线充电系统在物理结构上分为地面充电桩和车载充电器两部分，地面充电桩和车载充电器两部分之间通过松耦合变压器的交变磁场实现电能无线传输，给电动汽车蓄电池充电。车载电池的充电信息通过无线射频传输方式发送到地面充电桩中，由地面充电桩控制充电的进程。

针对无线充电系统中控制信息的非接触式传输问题，本文利用无线通信芯片nRF24L01设计了无线传输电路，完成车载充电器与地面充电桩之间的控制信息无线传输。

2 无线充电控制系统组成及电路设计

2.1 无线充电控制系统组成

无线充电控制系统包括车载发送模块和地面充电桩接收模块，车载发送模块检测充电状态的变化并实时发送给地面充电桩接收模块，系统框图如图2所示，图2(a)为车载发送模块框图，图2(b)为地面充电桩接收模块框图。

图2 无线充电控制系统框图

车载发送模块采用STC单片机(STC Microcontroller)为控制核心，包括主控制器(Main controller)、无线收发器(Wireless receiver and transmitter)、电压检测器(Voltage detector)和显示器(Monitor)4个单元。检测器将检测到的信息送入主控制器中，经过单片机处理，在LCD显示器上实时显示出来。主控制器还控制无线收发模块不断地发出车载充电器上的信息，以便地面充电桩接收。地面充电桩接收模块仍采用STC单片机为控制核心，包括主控制器、无线收发器、显示器和输出4个单元。主控制器读取无线收发器上接收到的数据，同样送给LCD显示，另一方面，它还控制着输出单元将反馈信息输出到整个充电系统的驱动电路。

2.2 控制系统硬件电路设计

根据图2所示的系统框图，所设计的无线充电控制系统电路如图3所示，因车载发送模块和地面充电桩接收模块的主控制器电路、显示电路以及无线收发电路相同，所以图3所示电路为车载发送模块和地面充电桩接收模块的共同电路，其中车载发送模块与地面充电桩接收模块的不同之处在于车载发送模块的主控制器连接了检测单元(Voltage detector)，而地面充电桩接收模块的主控制器与输出单元(Output)相连。

2.2.1 主控制器

图3中主控制器单元以STC89C52为控制核心，其为STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，它使用经典的MCS-51内核，但进行了很多的改进，使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单一芯片内，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52可以为众多嵌入式控制系统提供灵活、有效的解决方案。STC89C52单片机对外共有40根引脚。，其中主电源引脚为VCC(40引脚)和GND(20引脚)，分别接电源的+5 V端和地端。由于晶振电路和复位电路不能集成到单片机中，所以在单片机的外部需要设计晶振电路和复位电路。晶振电路由X1、C2、C3组成，使用12 MHz的石英晶振，电容的典型值为C2=C3=30 pF。复位开关K1，电阻R1、R2和电容C1共同组成复位电路。在运行过程中，按下复位开关K1，电源经电阻R1产生的正脉冲输入RESET引脚，实现按键复位。在晶振频率为12 MHz时，通常取C1=10 μF，R1=1 kΩ，R2=10 kΩ。

2.2.2 无线收发器

无线收发器采用Nordic公司生产的nRF24L01芯片。nRF24L01是世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片，采用FSK 调制，内部集成Nordic自己的Enhanced Short Burst 协议。nRF24L01集收发功能于一体，在设计电路时，包括两块nRF24L01电路板，通过不同的程序可以控制芯片分别完成接收和发送的功能[6]。

为了方便用户使用，Nordic公司将nRF24L01芯片的典型外围电路集成到一块PCB板上，只留出序号为1～8的控制信号、数据信号及VDD与VSS信号引脚，方便用户使用单片机进行控制。nRF24L01外围电路原理如图4所示。

nRF24L01的SPI读写时序如图5所示。nRF24L01每接收一个SCK脉冲，在低电平时先发送一位数据，在高电平时再接收一位数据，要发送或已经接收到的数据采用在同一个寄存器中顺序左移的方式完成先串行输出，再串行输入，程序设计要紧密结合读写时序编写。

图3 无线充电控制系统电路图

图4 nRF24L01外围电路原理图

2.2.3 电压检测器

电压检测器(Voltage detector)为车载发送模块所有，选用美国国家半导体公司生产的8 位分辨率、双通道A/D转换芯片ADC0832。ADC0832采用串行通信方式，通过DI 数据输入端进行通道选择、数据采集及数据传送，8位分辨率可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0～5 V之间。其具有双数据输出可作为数据校验，可以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入使多器件挂接和处理器控制变得更加方便，ADC0832转换输出数值为：

(1)

其中VREF为参考电压，与电源输入复用；V为负载侧电压经两电阻串联分压后的采样信号，由2号引脚即CH0通道输入。

图5 nRF24L01读写时序

2.2.4 输出单元

输出单元(Output unit)为地面充电桩接收模块所有，选用一块采样频率为8位的D/A转换芯片DAC0832，它与STC89C52单片机完全兼容。DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成，其D/A转换结果采用电流形式输出。若需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现，典型应用接法如图6所示。

图6 DAC0832典型应用电路

DAC0832逻辑输入满足TTL电平，可直接与TTL电路或微机电路连接。当DAC0832芯片的片选信号、写信号及传送控制信号的引脚全部接地，允许输入锁存信号ILE引脚接+5 V时，DAC0832芯片处于直通工作方式，数字量一旦输入，就直接进入D/C寄存器，进行D/A转换。本设计将Vref接Vcc，即5 V电压，说明该D/A的参考电压为5 V，其模拟信号输出一定在D×k×5(单位)内变化(D为数字输入量，k为一比值，与内部电路有关)。Iout1为该D/A芯片电流输出端，Iout2+Iout1=常数，该常数约为330 μA，电流非常小。其中关于Iout1和Iout2公式如下：

(2)

(3)

本设计直接将Iout2接地。随着负载侧电压的增大，反馈给地面充电桩主控电路的电压亦随之增加，通过调节占空比减小充电电流。当负载侧电压接近60 V时，即采样电压达到5 V时，在LCD显示器上显示电量充满，提示断开连接。

3 软件设计

软件设计必须严格按nRF24L01收发时序进行。无线充电控制系统的软件主要包括车载发送模块发射程序和地面充电桩模块接收程序两部分。发射程序流程如图7所示，完成对I/O接口、液晶和寄存器的初始化后，首先执行电压采集程序，然后以循环的方式发送数据。接收程序流程如图8所示，首先初始化液晶和nRF24L01，并使能DAC芯片，然后循环接收数据。nRF24L01接收数据时，先发送数据，然后检测对方是否接收到，对方接收到它发送的数据后再开始接收数据，接收过程特别要注意先清空FIFO标志。

图7 发射程序流程图

图8 接收程序流程图

软件采用通用性强、使用友好的C语言编写。为了使程序结构清晰，各子系统程序之间相互解耦，使整套程序具有较强的可移植性和可阅读性，本设计采用了模块化的编写方法。

4 实现与测试

无线充电控制系统样机如图9所示，图9(a)为样机全貌，图9(b)中左边为车载充电模块显示器，右边为地面充电桩显示器，地面充电桩接收模块的显示数据随车载发送端的数据实时变化，表明所设计的系统可以通过无线方式实现充电进程控制。

对于无线射频模块nRF24L01的编程主要是通过命令及控制CE、CSN信号以及中断信号IRQ共同完成的。对于发射节点，如果使能ACK与IRQ功能，则当通信成功以后，也就是发射节点收到了接收节点送回的ACK信号，IRQ 线会置低。对于接收节点，如果使能ACK与IRQ功能，则当通信成功以后IRQ线会置低。根据以上分析，用示波器测试了车载发送模块与地面充电桩接收模块不通信和通信时的SCK和IRQ波形，不通信时的波形如图10(a)所示，通信成功时的波形如图10(b)所示。

图10 测试无线射频模块nRF24L01是否通信的波形图

图中CH1为IRQ波形，CH2为SCK波形。每次车载发送模块和地面充电桩接收模块通信时均收发5次信息，以确保通信成功，因此IRQ中断请求信号置低5次，IRQ置低是在发送(或接收)完成以后(或是达到最大发射次数)实现的。

结 语