0 弁言
作为新型、节能、高效的交通工具，电动自行车日益受到市民的欢迎。同时，由于电动车电池特殊是摩托式电动车电池不易拆卸，小区存在随意私拉、乱接电线给电动自行车充电的征象，给小区埋下巨大的安全隐患。市场呼唤一种方便进行充电的设备[1]。2014年6月4日，郑州市公安局、城乡方案局、城乡培植委员会、住房保障和房地产管理局、民政局联合下发了《关于在住宅小区培植电动自行车充电库（棚）的关照》，哀求按照市场化运行模式，方案增建或改建电动自行车充电库（棚），同时杜绝私拉乱接电线进行[2]。电动自行车充电桩可以实现对电动自行车的充电，同时实现按照充电韶光收费，实现了对电动自行车充电的商业化运营，可以知足电动自行车充电的哀求。
1 电动自行车充电桩模式
目前市场上常见充电桩模式紧张有两种，一种是供应低压直流电（如48 V），直接对电动车蓄电池充电，供电动自行车快速充电，但是这种方案只能解燃眉之急，永劫光利用会大大缩短蓄电池的利用寿命[3-4]。同时由于各种电动车的蓄电池电压不同[5]，须要制作多种电压规格。此外，由于针对蓄电池的充电方法日月牙异，人们不断提出如分级恒电流充电法、脉冲式充电法、定化学反应状态法、变电流间歇/定电压充电法、变电压间歇充电法、模糊掌握充电法等[6]，单一的供应低压直流电的充电方法无法适应市场对延长蓄电池寿命的哀求[7]。
其余一种是直接供应220 V互换电供电动自行车充电，电动车充满电须要耗时几个小时，适用于慢速充电场合，须要电动车自带充电器。这种充电方法可以针对每一台电动车采取得当的充电器，延长蓄电池寿命，特殊适宜在小区以及电动自行车充电站利用。
2 充电桩架构设计
本文所设计的充电桩架构设计分为付费模块、掌握模块和检测模块3个模块。个中付费模块与掌握模块之间采取I2C总线进行通信，掌握模块与检测模块之间通过UART口进行通信，如图1所示。采取多个模块进行设计使得多个模块的软件设计分离，个中一个模块的软件变动不会影响到其他软件，大大简化了软件的设计，有利于设计出健壮可靠的软件。
3 付费模块设计
本充电桩采取商业运营模式。市场上常用的售电付费模式紧张有投币式和刷卡式。由于投币式须要预先准备零钱，同时掩护方须要定期取钱，运作起来比较麻烦，本设计购售电采取刷卡办法进行。
3.1 付费卡设计
刷卡采取M1卡进行。M1卡是一种无源被动式射频卡，属于非打仗逻辑加密卡，技能本钱低廉，交易流程简明，系统架构较为大略，常用于门禁以及付费系统[8-9]。M1卡的能量和数据都由天线来传输。当射频接口电路吸收到13.56 MHz的调制旗子暗记后，将旗子暗记送至调制解调模块，经由整流电路和稳压电路将正弦波转化为方波后输出，以支持卡内电路的事情。M1卡分为16个扇区，每个扇区4块，共64块数据。个中第0扇区的块0用于存储厂商代码，已经固化，不可变动。其他各扇区的块0、块1、块2为数据块，用于存储数据；块3为掌握块，存放密码A、存取掌握字、密码B。M1卡各扇区的密码和存取掌握都是独立的，可以根据实际须要设定各自的密码存取掌握。
M1卡采取一卡一密的办法进行加密，密码A和密码B合营利用。同时针对居民对电动自行车充电须要的用电量较小、金额有限[2]，对单个M1卡实现最大金额限定，使得用户破解密码的本钱小于收益本钱，担保M1卡的安全性。
3.2 读写卡模块设置
用户只须要在充电桩上刷卡区刷一下就可以完成一次购电。用户通过M1卡刷卡购买用电韶光，充电桩根据用户购买用电韶光对相应的插座供电，从而实现对电动自行车的充电。
读写卡芯片采取复旦微电子设计的FM1702芯片实现。FM1702是基于ISO14443标准的非打仗卡读卡机专用芯片，采取0.6 m CMOS EEPROM工艺，支持13.56 MHz 频率下的typeA非打仗通信协议，支持多种加密算法，兼容Philips的MF RC530（SPI接口）读卡机芯片。芯片采取高集成度的仿照电路，只需最少量的外围线路，操作间隔可达10 cm，内部带有加密单元，支持SPI接口模式，发射口采取单端输出。基于FM1702读写芯片设计的非打仗式IC卡读写系统设计大略、系统稳定、易于掩护，被广泛运用于校园一卡通、考勤、门禁平分歧领域[10-11]。
FM1702的内部构造如图2所示。
4 掌握模式设计
为了经济地实现产品，该充电桩可以实现对多路插座市电的独立通断掌握。对充电回路的掌握通过继电器来实现。用户可以通过按键选择相应的市电通路，实现对相应通路的购电。
相对付目前常用的采取保险丝限定电动车充电功率的做法[12]，本文采取了对功率进行实时检测的方法，当功率超过限值时，断开该回路，实现对功率的限定。相对付采取保险丝的做法，本文方法减少了故障次数，也省却了改换保险丝的麻烦。
精确购电后，相应回路的剩余充电韶光通过LED显示，用户可以看到剩余充电的分钟数。当剩余充电的韶光为0时，自动断开继电器，完成充电。
5 掌握器硬件设计
产品各模块硬件主芯片均采取ST公司的STM8S系列芯片。STM8S是基于8位框架构造的微掌握器，其CPU内核有6个内部寄存器。STM8S系列芯片的核具有16 MHz的内部晶振，具有3级流水线，总线构造采取哈佛构造。芯片具有32 KB Flash存储器和2 KB内部RAM。还具有128 KB内部EEPROM，可以经受10万次擦写。事情电压为2.95 V~5.5 V。具有时钟监视功能以担保时钟安全。具有低功耗模式，也可以单独关闭外设时钟。具有一个异步UART口，支持全双工异步通信，也可支持LIN主模式通信，还可以作为IRDA SIR编码器解码器。具有硬件I2C口，最高速率可以达到400 kb/s；具有一个硬件SPI口，最高速率可以达到8 Mb/s。具有10路精度10位的ADC采样端口，可以进行仿照旗子暗记的采样，实现对通路电流采样的检测。
6 掌握流程软件设计
软件设计代码采取C措辞编写。
刷卡模块实现用电刷卡、收费和增加售电韶光的功能。掌握模块实现充电回路的通断，检测模块实现对电路是否过流的检测，检测结果发送给掌握模块。由掌握模块掌握继电器的通断，从而实现电动车充电回路的断开和闭合。
用户充电过程如下：
（1）当用户须要充电时，用户按下第n通路按键，掌握模块闭合第n通路继电器，同时向检测模块发送第n通路检测。
（2）检测模块吸收到检测命令后，根据第n通路的采样值判断第n通路是否正常接通。然后发送检测结果给掌握模块。
（3）如果吸收到通路正常，则掌握模块向刷卡模块发送进入哀求充电状态，刷卡模块进入哀求充电状态。
（4）刷卡模块检测到M1卡，进行扣费，如果扣费成功，则向掌握模块发送增加扣费韶光。
（5）掌握模块吸收到后，闭合继电器，开始充电，同时启动充电韶光倒计时。
（6）倒计时结束，掌握模块断开相应回路的继电器，充电结束。
6.1 刷卡模块软件设计
刷卡模块的程序流程如图3所示。每隔100 ms检测一次刷卡区是否有用户卡，如果有用户卡，并在用户哀求充电（即某充电回路选中）状态，则扣费，对相应回路增加充电韶光，同时显示用户卡内的剩余金额。如果处于空闲状态，则不扣费，仅显示用户卡内的剩余金额。
6.2 掌握模块软件设计
掌握模块紧张实现继电器的通断电，在充电模式下，当开始充电后，掌握模块开始倒计时，倒计时完成后，继电器断开，完本钱次充电。流程如图4所示。
6.3 检测模块软件设计
检测模块紧张完成负载的检测。通过芯片的AD采集功能，把吸收到的仿照旗子暗记变换为数字旗子暗记。AD采样采取10位AD采样，采样电路集成在芯片内部。当吸收到掌握模块的通路检测命令时，检测回路电流是否大于检测门限值，昔时夜于检测门限值时，判断为电路导通，发送电路导通给掌握模块；反之，发送电路故障给掌握模块，实现了当电路故障情形下，不会误对用户卡扣费。当检测到过载时，检测模块发送过载给掌握模块，掌握模块断开此路负载。相对付采取保险丝限定电流的负载，免除了改换保险丝的麻烦。
7 结论
本文实现了一种利用M1卡付费的电动车充电桩的软件设计。实际利用证明，本方案设计的充电桩可以实现多路充电回路的通断，用户可以方便地利用M1用户卡进行购电，同时可以对充电负荷功率进行掌握，当用电负荷超过门限阈值时，能够自动跳开相应的继电器，并上报出错信息。本文设计的充电桩免除了改换保险丝的麻烦，适宜小区以及社会上电动自行车商业充电站的需求。
参考文献
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