电动汽车充电站监控系统设计概述.docx

毕业设计说明书1 绪论1.1 引言 汽车工业的告诉发展，汽车带来的环境污染、能源短缺、资源枯竭和安全等方面的问题越来越突出。为了保持国民经济的可持续发展，保护人类居住环境和能源供给，各国政府不惜巨资，投入大量人力、物力，寻求解决这些问题的各种途径。我国面临的形式也十分严峻，国内的石油储藏量和开采量相当有限，随着汽车保有量的增加，石油需求越来越多，目前已不能自给，不足部分主要通过进口来满足，而且每年成递增趋势。 由于电动汽车具有突出的环保方面的优势，使得电动汽车的开发和研究成为各国开发绿色汽车的主流。电动汽车使用的能源是可以用与发电的一切能源。因此使用电动汽车可以摆脱汽车对化石燃料的依赖，改善能源结构，使能源供给多样化，使能源的供给有保障。电动汽车在解决道路交通事故方面和传统汽车相比也具有一定优势。因此，开发电动汽车是迎接汽车面临挑战的重要对策之一。电动汽车具有良好的环保性能和可以以多种能源为动力的显著特点，即可以保护环境，又可以缓解能源短缺和调整能源结构，保障能源安全。目前发展电动汽车已成为各国政府和汽车行业的共识，电动汽车的研发已成为汽车行业的热点。因此，无论是从设计、研究和开发的观点，还是从实用的角度来看，了解和掌握电动汽车技术的社会需求会越来越大。目前世界上许多发达国家的政府、著名汽车厂商及相关行业科研机构都在致力于电动汽车技术的研究开发与推广应用。电动汽车充电站是电动汽车大规模商业化后不可缺少的电动汽车能源服务基础设施，如何实现电动汽车充电站运行管理的自动化是必须研究的课题。系统建设的必要性：1）保证动力电池充电安全的需要。目前纯电动汽车多使用锂离子蓄电池作为电能存储单元。锂离子电池对充电要求较高，充电过程控制不好会造成电池永久损坏，甚至引起电池爆炸。充电站监控系统的充电监控功能可以监测电池和充电机当前状态。采用智能充电机的充电保护措施可以有效保证动力蓄电池充电过程的安全。2）提高充电站运行和管理水平的需要。电动汽车充电站作为保障电动汽车正常使用的能源基础服务设施，因其构成设备数量多，用人工方式来管理这些设备很难实现，所以有必要利用先进的信息技术实现其运行和管理自动化，降低工作人员的劳动强度，提高充电站运行和管理水平。1.2 电动汽车的发展及其关键技术1881年的法国诞生了世界上第一辆电动车，但是由于技术的原因，在不长的时间里燃油汽车就占据了汽车市场的绝大部分市场份额。近年来，随着许多电动汽车关键技术的不断发展以及全球汽车生产商对电动汽车发展的重视程度不断加深，现代电动汽车己经作为一种全新概念的交通工具被提上日程，它自身将会承担更多的功能，正因为这样，电动汽车在发展中，必须面对并解决以下关键技术：(1) 车身设计车身设计的工作早在一开始就将实用性和外观性联系在了一起。尤其在现代汽车要求速度越来越快的情况下，对于汽车的空气动力学、行驶平顺性等方面考虑己经成为车身设计的主要工作。在设计电动汽车时，应该在车身设计上多下功夫，力争使电动汽车的无功损耗降低到最低点。(2) 动力驱动技术电动汽车主要是依靠直流电动机来驱动的，但是由于目前直流电动机的转速转矩变化范围窄，并不能满足汽车行驶的需要，所以国际上已经开始了关于电动汽车用交流电机的研制的热潮，其中开关磁阻电机的研制，高效永磁同步电机交流电机都已进入试用阶段；控制技术矢量控制和直接转矩控制技术己经在理论界得到了充分的验证和肯定，技术也同趋成熟。随着技术的发展，电机和电机控制器也越来越成熟，电机向着高电压、小电流、大功率、小体积、重量轻的方向发展，直流电机已逐渐被交流电机所代替。控制器也向着智能化、集成化的方向发展。(3)能源供应系统现代电动汽车经过数十年的发展，其各项标准己经基本达到了人们用车的要求，但是却迟迟不能占据市场，最主要的原因就是现在的电动汽车的续驶里程不能满足入们的要求。如何寻找或者研制一种更加优良的能源是电动汽车发展的一个极其关键的问题，目前的局面是铅酸、镍氢、锂离子、燃料电池多种电源并存，铅酸电池占据了主要地位，针对目前的市场占有情况如何合理的使用提高铅酸电池的寿命和效率，就具有十分明显的经济和社会价值，而且随着铅酸电池生产技术的不断更新，新一代的卷式铅酸电池能量比将大大增强，其充放电将变得越来越简单，因此本论文的研究将围绕铅酸电池展开。1. 3 电动汽车充放电技术研究概况电动汽车充放电技术就是对蓄电池的输入输出进行合理的控制，达到节能、延长设备寿命的预期目标。电动汽车的充放电技术对电动汽车的能源存储源免维护铅酸蓄电池的充放电进行合理的控制，达到行驶里程和蓄电池寿命的最大化。电动汽车充放电控制系统如同电动汽车的总体控制中心，它具有功能多、灵活性好、适应性强的特点，从而可以非常合理地利用有限的车载能量，达到电池寿命和行使里程的最大化。根据目前国内外技术发展的情况，主要是实现充电时间的缩短，电池寿命的延长和持续行驶罩程的最大化，因此，问题归结于两个方面，一、根据电池充放电原理缩短蓄电池充电时间(快速充电技术)，二、电动汽车运行过程中在保证制动正常的条件下结合充放电原理进行能量的回收。常规的充电方式包括恒压充电、恒流充电和将两者组合起来应用于不同时问段的混合充电方式。从本质上来讲都是一种充电电流无法随蓄电池充电状态自动调节的单一模式充电法，所以无法实现充电过程的最优化。相对于常规充电模式而言，智能化充电模式根据电池生产单位提供的技术数据对其整个充电过程进行控制，根据蓄电池的充电状态而动态跟踪蓄电池的可接受最大充电电流及后期充电电压的变化，使得实际充电电流始终保持在最优值附近，从而保证了蓄电池几乎在满足自身理论特性的状态下的充电。对于智能充电可以概括为：根据蓄电池的充放电特性来找到一种最佳的充电方式，并且用合适的电力电子装置来实现它。前面是针对蓄电池特性的研究，后者是针对电力电子装置的研究。这里的最佳的充电方式就是最佳的充电电压和充电电流的选取。智能充电的作用是给标准蓄电池充电，它的功能是要求根据不同的电池，控制不同的状态，自动检测电池端电压和端电流的值，经过处理后产生电压偏差和变化率信息，再经过模糊处理，输出电流和电压的控制信息，实时、精确的控制充电过程，目前不少研究者在这一方面已经做了大量的研究，但大多是基于不可控整流方式和功率因素补偿来实现，对电网仍有一定的污染，其控制方式有待于进一步的提高。结合电池充放电原理，根据电动汽车的驱动设备电机特性，在电动汽车运行过程(减速和制动时电动机工作在发电状态)对其能量进行有效的回收利用，可以有效增加汽车行驶里程，根据日本本田公司研究数据，对电动汽车能量进行有效回收利用，可使汽车在UDDS(Urban Dynamo Driving Schedule)市区发电工况下延续行驶罩程26左右。因此，结合蓄电池充放电特性对其充放电过程进行控制就具有明显经济价值。电动汽车在运行过程中，其输出功率会随着路况、环境等多种因素的变化而变化，同时在减速和制动过程中对电机能量进行回收，根据负载变化动态调节蓄电池充电电流的大小，达到延长行使里程的目的。目前日本丰田、本田公司和美国纽约州的斯卡奈塔第联合大学以及美国的国家航空与航天管理局路易斯研究中心在此领域的研究较为深入，我国近几年，也在此领域展开了研究，如清华大学、北京理工、武汉理工等研究机构。1.4 电动汽车充放电技术存在主要问题当前电动汽车产业迟迟未能工业化的主要原因电池问题，当前的电池容量和体积质量的关系不能满足电动汽车的需要，也就是说一定重量的蓄电池只能提供给电动汽车有限的能量，致使电动汽车行驶里程太短，由于电池技术不可能再短时间内取得突破，所以只能在短时充电和延续汽车行驶里程进行深入的研究，一方面，随着快速充电技术的深入，可以使电动汽车像在加油站加油一样，在较短时间内补充能源，也可以采取在公共的充电站更换蓄电池组来补充能源；另一方面，我们可以对运行过程中的能量进行部分回收，通过对对电池充电的方式实现减速和制动，一方面延续行驶里程，另一方面，可以拉大充电站之间的距离，减少充电站的建设。1.5 本论文的主要内容当今社会电动汽车的发展迅猛，因此对电动汽车充电站监控系统提出了很高的要求。面临能源和环境的巨大压力，以电力作为驱动系统动力源的电动汽车成为绿色交通工具，有着广阔的前景，电动汽车充电站则是电动汽车运行的不可缺少的能源服务基础设施。但是目前电动汽车充电站普遍实行无人值班，且能够保证大规模充电站正常运营的充电站监控系统尚无成熟产品，各充电站之间也无信息联系，这就要求充电机的可靠性及自动化智能化程度更高，功能更加完善。仪器的设计，本着简明科学实用的原则，力求从整体出发，从实际使用出发，突出系统的可靠性免维护免培训特点和系统结构的简明完整性，把对操作人员的专业技术要求降到最低，发挥系统整体设计的优势，使系统整体性能达到最佳，功能强大而操作简单，测量精确而维护方便，在此基础上，完成电动汽车充电站监控系统设计，做到监测系统稳定，可靠性能高。在系统设计中，应充分应用近年来发展起来的各种新技术新器件新方法，在保证各项性能指标能够满足系统方面要求的前提下，力求简化结构，降低成本，提高可靠性和稳定性4。设计时需要注意的问题：（1）、产品的技术指标生产工艺等要符合国家有关规定和地方管理部门的规定。（2）、运行的可靠性和稳定性一定要好，安装维护要方便，操作要简单。（3）、各项功能要实用，既要满足国家和地方的有关规定也要考虑用户的要求。（4）、设计制造尽可能使用通用的有替代产品的原件，器件和设备。（5）、能使用软件实现的功能，一般不用硬件来实现，以减小体积，将成本降至最低。（6）、设计要从整体出发，分步分层实施，突出系统的整体性能，力求系统整体性能最大优化。2 系统的设计理论与基本知识从第一章中我们了解到了电动汽车发展及其相关技术，对电动汽车的发展应该用了一个大概的认识。要想建成一个合格的电动汽车充电站监控系统，所需了解的地方包括电动汽车的电能供给方式、充电站建设模型、以及一个电动汽车充电站的监控系统应该包括哪些监控方面等。下面就以上所说的比较重要的几点做一下简要的介绍2.1 电动汽车的电能供给方式与充电站建设模式2.1.1电动汽车的电能供给方式目前，电动汽车电能供给方式主要有交流充电、直流充电和电池组快速更换3 种典型方式。1）交流充电方式。外部提供220 V 或380 V 交流电源给电动汽车车载充电机，由车载充电机给动力蓄电池充电。一般小型纯电动汽车、可外接充电式混合动力电动汽车(plug in hybrid electric vehicle，PHEV)多采用此种方式。车载充电机一般功率较小，充电时间长。2）直流充电方式。地面充电机直接输出直流电能给车载动力蓄电池充电，电动汽车只需提供充电及相关通信接口。地面充电机一般功率大，输出电流、电压变化范围宽。有些地面充电机还具备快速充电功能。3）电池组快速更换方式。电动汽车与充电机无直接联系，而是通过专用电池更换设备将车上少电的电池取下，换上充满电的电池，这个过程所需2.1.2充电站建设模式结合电动汽车的发展趋势以及电动汽车电能供给的典型方式，本文认为未来电动汽车充电站建设主要有3 种典型模式：1）模式1。在住宅小区或商业大厦的专用停车场安装一定数量的智能充电桩和少量的智能地面充电机。智能充电桩为电动汽车提供220 V 或380 V 交流电源接口，智能地面充电机为电动汽车提供应急充电服务。该模式适用于小型纯电动汽车、PHEV 等。2）模式2。在专用停车场安装一定数量的智能地面充电机，直接连接电动汽车上的专用充电接口为车载电池充电。该模式适用于具有专用停车场的车辆，如纯电动公交车、纯电动环卫车等。3）模式3，即电池更换站模式。站内安装有直接为电池包充电的充电机和直接为电动汽车充电的应急充电机，配备电池快速更换设备和电池架，配有专用配电系统(含电能谐波集中治理装置)，能为纯电动汽车提供电池更换服务。该模式适用于一次充电续驶里程不能满足日常行驶需要而频繁充电的车辆，如大型纯电动公交车、纯电动环卫车等。2.2系统应用功能需求2.2.1充电监控功能充电监控功能是充电站监控系统的核心功能，主要实现对充电桩和充电机的监视与控制。1）对充电桩的监控。监视充电桩的交流输出接口的状态，如电流、电压、开关状态、保护状态等；采集与充电桩相连接的电动汽车的基本信息；控制充电桩交流输出接口的开断。2）对充电机的监控。充电机作为被监控对象，上送给监控系统的数据主要包含2 类：充电机状态信息，即输入输出电压、电流、电量、功率因数、充电时间、当前充电模式、充电机故障状态等；电池状态信息，即电池包基本信息、电池单体电压、电池单体温度、电池故障状态、电池管理系统设置信息等。此外，在电池包状态信息部分，系统还需根据采集到的电池单体电压、温度等计算出电池包内单体最高电压、最低电压、最高温度、最低温度等统计信息，供限值统计、告警系统使用。对充电机的控制功能主要包括：对充电机充电开始、停止、紧急停止的控制；充电机充电模式的调整，即根据充电机连接电池的类型及其充电特性，操作人员可通过图形画面调整各阶段充电参数，并下发给充电机；向充电机及其连接的电池管理系统下发对时命令。2.2.2 配电监控功能实现对电动汽车充电站配电设备的监控，方便统一管理和数据共享。可实现对整站的总功率、总电流、总电量、功率因数、主变状态、开关状态、无功补偿及谐波治理设备的监视和控制。2.2.3 烟感监视功能在模式3 的充电站中，为了保障电池充电安全，除了通过电池管理系统监视电池电压、温度外，在电池充电架中安装了数量众多的烟雾传感器，用于探测锂离子动力电池因过充导致电池自燃而释放出的烟雾。这些传感器接入充电站监控系统后，和充电监控功能(特别是在电池管理系统失效时)一起保障电池充电的安全。2.2.4 电池维护监控功能在大型充电站中，需要通过专门的电池维护设备对电池进行定期维护。在维护过程中，系统将采集到的维护数据存入充电站监控系统数据库，形成电池的完整数据档案，便于对电池进行整体评估。2.2. 快速更换设备监控功能在具备电池快速更换设备的充电站中，可通过充电站监控系统对电池快速更换设备下发具体电池更换命令：让快速更换设备在指定轨道位置更换2.3 电动汽车充电站电动汽车充电站是指为电动汽车充电的站点，与现在的加油站相似。随着低碳经济成为我国经济发展的主旋律，电动汽车作为新能源战略和智能电网的重要组成部分，以及国务院确定的战略性新兴产业之一，必将成为今后中国汽车工业和能源产业发展的重点。然而，电动汽车产业是一项系统工程，电动汽车充电站则是主要环节之一，必须与电动汽车其他领域实现共同协调发展。 在中国电动汽车充电站的发展是必然的，抢占先机也是企业的制胜之道。在目前的情况下，国家虽有大力倡导，各企业又蠢蠢欲动，但电动汽车走入寻常百姓家不是短期内容易做到的。国家政策可以给（购车补偿、上路等），而电动汽车充电站网则无法短期建，主要原因是给电动汽车快速充电需要瞬时强大的功率电力，常规电网无法满足，必须要建专用充电网络，这涉及整个国家电网改造，国家电网大改造不是小事，耗资巨大，从讨论、立项到成网，非一朝一夕能实现。 现在能较好的解决快速充电问题的方案是-换电站-利用给汽车更换电池的方法代替漫长的充电过程。一辆汽车需要配备两块电池，当一块电池用完后自动切换到另一块，此时可到换电站将用完 的电池换下，装上满电的电池。而换下的电池由电站统一充电和维护，前提是充电站要有相当数量的备用电池。这个方法优点是快速，用户换完电池就可以上路，比加油都快。用这种方法再加上停车场充电桩等辅助手段，相信电动汽车的普及就近在眼前。 充电业务模式是指电动汽车用户在汽车电能将要耗尽的时候选择到固定地点的充电站和充站桩为汽车的电池进行直接充电的模型。这是电动汽车充电站最先考虑的业务模式，在这种业务模式下，电动汽车用户通过在充电站/充电桩直接为汽车充电，即时消费电力产品并通过现场付费的模式支付费用，完成交易。 为此，建设相应的电动汽车充电计费系统，引入集中式的信息管理平台，是开展电动汽车充放电站建设工作的重要组成部分。2.3.1系统模块介绍充电站的收费系统是必须的，建设电动汽车充电计费系统，系统的实现由三部分组成，下面分别进行介绍： 1、建设充电计费系统管理平台，对系统涉及到的基础数据进行集中式管理，例如电动汽车信息、购电用户信息、资产信息等。 2、建设充电计费系统运营平台，用于对电动汽车的充放电及购电用户的充值进行运营管理。 3、建设充电计费系统查询平台，用于对管理平台及运营平台产生的相关数据进行综合查询充电站按照功能可以划分为四个子模块：配电系统、充电系统、电池调度系统、充电站监控系统。充电站给汽车充电一般分为三种方式：普通充电、快速充电、电池更换。普通充电多为交流充电，可以使用220V或380V的电压。快速充电多为直流充电。充电站主要设备包括充电机、充电桩、有源滤波装置、电能监控系统。2.3.2 充电站电力配套常规充电 典型常规充电站的规模 根据目前电动汽车常规充电的数据资料，一般以2040辆电动汽车来配置一个充电站，这种配置是考虑充分利用晚间谷电进行充电，缺点是充电设备利用率低。在高峰时也考虑充电，则可以6080辆电动来配制一个充电站，缺点是充电成本上升，增加高峰负荷。 充电站电力配套的典型配置（前提充电柜具有谐波等处理功能） a方案： 建造配电站设计2路10KV电缆进线（配3*70mm电缆），2台500KVA变压器，24路380V出线。其中二路为快速充电专用出线（配 4*120mm电缆、50M长、4回路），二路为机械充电或备用出线，其余为常规充电出线（配4*70mm电缆、50M长、20回路） b方案： 设计2路10KV电缆线（配3*70mm电缆），设置2台500KVA用户箱变，每台箱变配4路380V出线（配4*240mm电缆、20M长、8回路），每路出线设置一台4回路电缆分支箱向充电柜供电（配4*70mm电缆、50M长、24回路）。 快速充电 典型快速充电站的规模 根据目前电动汽车快速充电的数据资料，一般以同时向8辆电动汽车充电来配置一个充电站。 充电站电力配套的典型配置 a方案、建造配电站设计2路10KV电缆进线（配3*70mm电缆），2台500KVA变压器，10路380V出线（配4*120mm电缆、50M长、 10回路）。 b方案、设计2路10KV电缆线（配3*70mm电缆），设置2台500KVA用户箱变，每台箱变配4路380V出线，供充电站（配4*120mm电缆、 50M长、8回路）。 机械充电机械充电站的规模 小型机械充电站可以结合常规充电站建设同时考虑，可以根据需要选择更大容量的变压器。大型机械充电站一般以80100组充电电池同时充电配置一个大型机械充电站，主要适用于出租车行业或电池租赁行业，一天不间断充可以完成对400组电池的充电。 充电站电力配套的典型配置（大型机械充电站） 配电站2路10KV电缆进线（配3*240mm电缆），2台1600KVA变压器， 10路380V出线（配4*240mm电缆、50M长、10回路）。 便携式充电 别墅 具备三相四线表计，独立的停车库，可以利用已有的住宅供电设施，从住宅配电箱专门放一路10mm2或16mm2的线路至车库的专用插座，来提供便携式充电电源。 一般住宅 具有固定的集中停车库，一般要求地下停车库（充电安全考虑），可以利用小区原有的供电配套设施进行改造，必须根据小区已有的负荷容量来考虑，包括谷电的负荷。具体方案应根据小区的供电设施、方案以及小区的建筑环境具体来确定。3 系统需求分析及总体设计需求分析和总体设计是系统开发必经阶段。在需求分析阶段，应该确定系统的功能和特性。在电动汽车充电站中，监控系统最重要的是完成对充电站的监控，确保充电站的安全。其主要功能如图3.1所示。图3.1主要功能充电系统监控，针对充电机控制器及相连的电池管理系统，该网络为三级，其网络结构如图3.2所示：图3.2 网络结构第一网络是充电机控制器和对应的电池箱上安装的电池管理系统之间的通讯，由于充电机控制器和电池管理系统之间的串行通讯比较简单，电池通讯系统不主动发送命令和数据，采用主从式结构，故选用RS-485总线，控制器借助电池管理系统实时了解各个单体电池的荷电状态，为实现智能充电创造条件。电池管理系统所采用到的数据（主要包括单体电池数量、电压、温度、平均电压、最高电池电压、最高温度、故障代码、充电标识、故障状态、最大允许电压等变量）按照协议进行处理并重新打包成合适的总线传送的数据格式，然后充电机控制器通过总线将其发送至监控PC机。第二网络是监控PC机和充电机控制器之间，由于它对抗干扰性、可靠性要求较高，并且传送距离较远，故采用一种多主总线。监控PC机接受来自总监控中心的指令，控制充电机完成指令所规定的任务，实时监控充电机的状态，将检测到的信息反馈给总监控中心，为总监控中心调度决策提供参考；同时，它对充电站内部一些设备的信息进行存储、转发和管理。充电机控制器是监控系统的核心，一方面要完成对充电机的实时数据采集（主要是充电机状态，包括电流、电压、时间、温度、开关状态、保护状态和电量等参数）和实时控制，这些控制主要是对充电机开关、停止和充电模式的调整、对与其相连的电池管理系统下发命令；另一方面，还要完成对电池组各数据进行收集和管理。及时把系统的实时数据传输给监控PC机和接受监控PC机发来的控制命令。最后是监控PC机和城市总监控中心之间的通讯，因为充电站监控系统各工作站和服务器之间数据交换频繁，数据量大，故采用以太网方式通信。另外，为了进一步保证充电的安全还有一条针对安装在充电架上的烟雾传感器的监控网络。烟雾传感器是用于探测锂离子动力电池因过充电导致电池自然而释放出的烟雾。该网络和电池管理系统共同保持充电电池的安全。首先烟雾传感器信号经过转换节点转换为通信信号，然后通过总线发送给烟雾报警计算机。烟雾报警计算机仅接受烟雾传感器的报警信号，及时发现有故障的充电电池，没必要与上级进行通信，其模块如图3.3所示。图3.3 烟雾报警4 硬件电路和软件设计4.1 总体结构框架硬件平台以atmel公司的at91rm9200芯片为核心，这款工业级芯片内嵌网络控制器，包含了以太网mac控制，因此只需外接一片10/100m物理层芯片dm9161e提供以太网接入通道即可。can总线接口采用can控制器芯片mcp2515和高速can总线收发器tja1050构成。mcp2515与at91rm9200的连接是通过标准串行外设接口spi(at91rm9200内嵌)来实现的，它支持canv2.0b技术规范，能够发送和接收标准的和扩展的信息帧，同时具有接收滤波和信息管理的功能。tja1050是与mcp2515相配的高速can总线收发器，它担负着节点和总线之间接收和发送电平转换的任务。另外，为了使硬件平台提供高效的软件运行环境，系统还设计了存储电路(16mb nor flash，主要用来存放系统引导程序bootloader、内核、文件系统；64mb nand flash，用来存储数据；32mb sdram，提供内核与应用程序的运行空间)、复位电路、jtag调试接口和rs485扩展串口。图4.1总体结构框架4.2 功能模块NAND FLASH：Nand-flash内存是flash内存的一种，其内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。Nand-flash存储器具有容量较大，改写速度快等优点，适用于大量数据的存储，因而在业界得到了越来越广泛的应用，如嵌入式产品中包括数码相机、MP3随身听记忆卡、体积小巧的U盘等。NOR FLASH：flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。 由于擦除NOR器件时是以64128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NAND器件是以832KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。 执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时)，更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以下的各项因素。 l 、NOR的读速度比NAND稍快一些。 2、 NAND的写入速度比NOR快很多。 3 、NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。 4 、大多数写入操作需要先进行擦除操作。 5 、NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。SD RAM：Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器，同步是指 Memory工作需要同步时钟，内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准；动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；随机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据读写。JTAG：JTAG是英文“Joint Test Action Group（联合测试行为组织）”的词头字母的简写，该组织成立于1985 年，是由几家主要的电子制造商发起制订的PCB 和IC 测试标准。JTAG 建议于1990 年被IEEE 批准为IEEE1149.1-1990 测试访问端口和边界扫描结构标准。该标准规定了进行边界扫描所需要的硬件和软件。自从1990 年批准后，IEEE 分别于1993 年和1995 年对该标准作了补充，形成了现在使用的IEEE1149.1a-1993 和IEEE1149.1b-1994。JTAG 主要应用于：电路的边界扫描测试和可编程芯片的在线系统编程。CAN口为一种总线接口模式，以太网口为at91rm9200与网络通信的接口4.3 CAN总线的特点CAN总线属于现场总线范畴。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，称为控制器局域网现场总线。CAN网络原本是德国Bosch公司为欧洲汽车市场所开发的。CAN推出之初是用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。例如汽车刹车防抱死系统、安全气囊等。对机动车辆总线和对现场总线的需求有许多相似之处，即能够以较低的成本、较高的实时处理能力在强电磁干扰环境下可靠地工作。因此CAN总线可广泛应用于离散控制领域中的过程检测和控制，特别是工业自动化的底层监控，以解决控制与测试之间的可靠性问题12。CAN总线有如下基本特点：CAN协议废除了传统的站地址编码，采用数据通信数据块进行编程，可以多主方式工作。CAN采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，有效避免了总线冲突。CAN采用短帧结构，每一帧的 有效字节为8个（CAN技术规范2.0A），数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短。CAN的每帧数据都有CRC效验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境中使用。CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其它操作不受影响。CAN可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播集中方式传送和接受数据CAN总线直接通讯距离最远可达10km/5Kbps,通讯速率最高可达1Mbps/40m。节点数可达110个，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。采用不归零码编码/解码方式，并采用位填充（插入）技术。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级别判别等项工作13。4.3.1 CAN总线的系统构成从原理和实现的角度，只要有两个CAN节点和将他们连接成一体的通信媒体就可以构成一个CAN总线系统，这两个节点之间通过媒体交换信息，而由CAN总线构成的控制网络的结构一般是由控制器节点、传感器节点、执行器节点以及其他的监控节点如人机界面组成，CAN作为控制局域网还可以通过网关和其他网如以太网互联构成大型复杂的控制网络结构。用CAN总线系统组成的网络，从控制的角度来看，最小的控制系统是一个单回路的简单闭环控制系统由一个控制器，一个传感器和一个执行器组成；以CAN总线为基础的网络控制系统也可以由多个互不相关的控制回路组成15，而他们共享一个控制网络CAN总线。 控制系统如图4.2所示。从现场总线控制系统的概念来说，传感器节点、执行器节点都可以结成控制器，即所谓的智能节点，这样就形成了真正分布式的网络控制统。图4.2 CAN总线控制系统的结构4.3.2 总线访问及仲裁技术CAN总线使用的是一种叫做“载波监测，多主掌控/冲突避免”(CSMA/CA)的通信模式。载波监测的意思是指在总线上的每个节点在发送信息报文前都必须监测到总线上有一段时间的空闲状态。一旦在此空闲众泰被监测到，那么每个节点都有均等机会来发送报文，这被称为多主掌握。冲突避免是指在两个以上节点同时发送信息时，节点本身首先会检测到出现冲突，然后采取相应的措施来解决这一冲突情况。此时优先级高的报文先到达，低优先级的报文发送会暂停。在CAN总线协议中是通过一种非破坏性的仲裁方式来实现冲突检测的。这就意味着当总线出现发送冲突时，通过仲裁后原发送信息不会收到任何影响。所有的仲裁判别都不会破坏优先级高的报文信息内容，也不会对其发送产生任何的延时。当总线空闲时呈隐性电平，此时任何一个节点都可以向总线发送一个显性电平作为一个帧的开始。如果有两个或两个以上的节点同时发送，就会产生竞争。CAN总线解决竞争的方法和以太网的CSMA/CD方法比较类似，并且CAN做了改进，是按位对标识符进行仲裁。各发送节点在向总线发送电平的同时，也对总线上的电平进行读取，并与自身发送的电平进行比较。如果电平相同则继续发送下一位，不同则停止发送，退出总线竞争。剩余的节点则继续上述过程，知道总线上只剩下一个节点发送的电平，总线竞争结束，优先级最高的节点获得了总线的使用权。CAN总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在11位标识符中（扩展帧是29位标识符），具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计中被确定后就不能再被更改。这种非破坏性位仲裁方法的有点在于，在网络最终确定哪一个站的报文被发送以前，报文的起始部分已经在网络上传送了。所有未获得总线读取权的站都成为具有最高优先权报文的接收站，并且不会在总线再次空闲前发送报文。不过，上述的仲裁方法也存在一些不足和局限性4.4 硬件平台搭建充电站内，服务器存储和处理的数据量大，运行时间长并且要求系统响应时间短，因此对系统硬件平台的性能要求很高。此外，硬件平台需采用国际计算机市场上的主流产品，符合计算机产业的发展方向，适应电力工业的应用环境。参考配置见表1。设备名称型号规格数量机箱塔式IBM system x3500M2，内部集成显卡及两个自合适千兆以太网口1个CPU和内存英特尔至强四核X5570 2.93GHZ.8M缓存；内存4G1个硬盘500G企业版SATA3.5寸硬盘1个表14.5 软件设计服务器存储和管理充电站内的各种海量数据信息，数据之间逻辑关系复杂。站内的工作站需要服务器快速响应各种请求并提供数据服务，远程客户端通过浏览器可以访问服务器上的数据。因此需要开发针对充电站的数据管理系统和web服务程序。根据服务器实现的功能，整个软件系统采用架构如图4.3所示。图4.3 充电站服务器软件系统架构整个软件系统采用分层和模块化结构，便于系统维护和软件升级，提高服务器的可扩展性。系统通过相应的软件实现服务器的硬件平台管理、数据存储、数据管理和远程访问功能。操作系统管理服务器硬件，提高硬件平台的运行效率和稳定性，为上层软件提供运行平台，方便服务器软件功能的扩展，提供数据的安全保护和服务器用户权限管理。服务器存储的数据量大，数据之间逻辑联系紧密。与文件系统相比，数据库能够提高充电站内信息在硬件设备上的高效存储，提信息据查询、修改等操作的效率和安全性。数据库为应用程序提供大量接口，方便系统的二次开发。此外，数据库还提供用户权限管理，为服务器上数据提供二次保护，提高服务器数据的安全性。充电站数据管理系统负责上层软件与本地数据库的通信，响应上层软件查询、存储、修改数据库中数据的请求并提供相应的服务。提供服务器的用户权限管理，管理充电站内的通信协议。充电站提供远程监控功能，远程客户端通过服务器实现远程访问，客户端用户只需安装ie6或ie7浏览器，输入充电站服务器的网址，验证身份后登录、查询和操作权限内的数据。服务程序提供数据的图形显示方式，可以输出和打印报表。5 监控系统的核心功能实现5.1充电机监控系统的软件实现（1） 充电机控制器的软件流程设计控制器作为监控系统的中枢来控制充电器的运行，即采用何种方式充电（恒流限压、恒压限流和衰减充电等）、启动和停机等，实现智能化充电管理，由采集电路对电压和电流进行实时采集，根据采样值和相关的控制算法得出相应的控制量，由检测回路检测采集的电压和电流，在根据控制量的大小和相应的控制策略得到对应的控制信号，从而对充电机充电进行智能控制。此外，还要将充电机相关信息通过CAN通讯的方式上传至监控的PC机上；同时还要接受电池管理系统的数据，控制器的主要功能的软件流程如图5.1所示图5.1 软件流程图（2） 通讯程序设计通讯接口在开始运行之前，必须先进行初始化，然后at91rm9200以一定的时间间隔通过总线检测电池管理系统发送的数据，然后在通过CAN总线与监控PC机进行数据交换，主程序框图5.2如下：图5.2 通讯程序（3） CAN通讯程序设计CAN通讯软件设计主要包括3大部分：CAN节点初始化、报文发送和报文接受。报文的接受主要采用两种方式：中断和查询接受方式，本系统为了提高通讯的实时性、防止接受缓冲器的益出采用中断的接受方式，其流程比较简单，这里不再多做论述。5.2系烟感监控系统的软件设计该系统主要包括主程序和CAN通讯流程。其中CAN通讯流程和充电机监控系统的相同，主流程图如图所示。循环在完成这些操作后，最后还要完成的是与系统以外设备的通讯。图5.35.3 管理信息系统的设计与实现该系统主要以Visual Studio及C#语言为前台开发工具，Access2007为后台数据库，ADO技术为二者的数据接口，C#是一种功能强大的可视编程语言，为开发基于Microsoft Windows应用程序提供了最迅速、最简单的方法。Access是微软公司Office软件包中的关系型数据库，具有灵活、界面友好、易于学习和操作等特点，是开发小型数据库应用系统的理想工具，可以独立开发数据库系统，也可以作为后台数据库的理