3. 系统架构设计：主控板选型与功能模块划分
好，咱们进入第三章。这一章我打算聊聊系统架构设计。说白了，就是决定「用什么脑子」和「怎么分工」。很多新手工程师一上来就画原理图，结果后面发现引脚不够用，或者通信接口打架。嗯，我早期也吃过这个亏。
3.1 主控芯片选型：STM32 vs ESP32 vs 国产芯片
选主控，我个人的习惯是先看「需求清单」。充电桩需要什么？计量数据采集、4G/Wi-Fi通信、继电器控制、屏幕显示、还有一堆保护逻辑。算力要求不高，但接口要够用。
我列个对比表，大家看着更清楚：
| 芯片型号 | 核心优势 | 典型应用场景 | 我踩过的坑 |
|---|---|---|---|
| STM32F103/F407 | 生态成熟，资料多，稳定 | 交流桩、直流桩控制板 | 曾经因为选F103，RAM不够跑OTA，后来换了F407 |
| ESP32 | 自带Wi-Fi/蓝牙，价格低 | 家用交流桩、联网需求强 | 注意它的ADC精度一般，计量别用它的内置ADC |
| 国产GD32/AT32 | 性价比高，供货稳 | 成本敏感型产品 | 有些型号的USB兼容性有问题，要仔细测 |
我个人建议：如果是做量产产品，尤其是要过认证的，首选STM32。不是说国产不好，而是你想想看，认证周期那么长，万一芯片有个小bug，改版成本太高。我有个项目就因为这个，硬生生多花了三个月。
核心选型原则：
- 计量类任务：必须用独立计量芯片，别指望主控自带的ADC
- 通信类任务：如果走4G，主控只需要串口；如果走Wi-Fi，ESP32有优势
- 控制类任务：继电器驱动、PWM输出，普通MCU都能搞定
3.2 功能模块划分：计量/通信/控制/人机
一个充电桩系统，我习惯把它拆成四个大块。你想想看，这样分工明确，调试也方便。
3.2.1 计量模块
这是充电桩的「眼睛」。负责采集电压、电流、功率、电能。我建议用专用计量芯片，比如RN8302B、HLW8032、ATT7022。为什么？因为这些芯片内部有硬件滤波器，能滤掉电网的谐波干扰。我曾经试过用MCU的ADC直接采样，结果数据跳得跟心电图似的，根本没法用。
小提示：计量芯片和主控之间一般用SPI或UART通信。注意隔离！高压侧和低压侧一定要加隔离芯片，比如ISO7240。安全第一。
3.2.2 通信模块
通信是充电桩的「嘴巴」。主要分三种：
- 4G通信：用EC200U或SIM7600，走MQTT协议连云平台。注意天线要选好，我见过因为天线匹配不好，信号差到连不上网的。
- Wi-Fi通信：如果选ESP32，它自带Wi-Fi，省一个芯片。但要注意，公共桩不建议用Wi-Fi，不稳定。
- 有线通信：RS485用于和电表通信，CAN用于和BMS（电池管理系统）通信。嗯，这里要注意，CAN总线要加终端电阻，120欧姆，别漏了。
3.2.3 控制模块
控制是充电桩的「手」。主要管三件事：
- 继电器控制：控制充电枪的通断。我建议用双继电器冗余设计，防止粘连。
- PWM输出：用于和电动汽车通信，告诉车子「我能给你充多大电流」。这个PWM的频率是1kHz，占空比代表电流值。
- 漏电检测：必须硬件实现，不能靠软件。我曾经见过一个方案，用软件检测漏电，结果响应慢了200ms，差点出事。
3.2.4 人机交互模块
人机交互是充电桩的「脸面」。常见的有：
- LCD屏幕：显示充电状态、电量、金额。建议用串口屏，开发快。
- 按键/刷卡：用于启动充电。注意按键要防抖，硬件消抖加软件消抖双重保险。
- 指示灯：红绿蓝三色LED，表示不同状态。红色故障，绿色充电中，蓝色待机。
3.3 系统框图与接口定义
好了，模块分完了，咱们得把它们连起来。我画一个典型的系统框图，大家感受一下：
+------------------+ +------------------+
| 计量芯片 | | 4G模块 |
| (RN8302B) |<-SPI->| (EC200U) |
+------------------+ +------------------+
| |
| |
+------------------+ +------------------+
| 主控MCU |<------| RS485/CAN |
| (STM32F407) | | 接口电路 |
+------------------+ +------------------+
| |
| |
+------------------+ +------------------+
| 继电器驱动 | | 人机交互 |
| (光耦+MOS) | | (串口屏+按键) |
+------------------+ +------------------+
接口定义这块，我建议用表格列清楚，方便硬件工程师画原理图：
| 接口名称 | 通信方式 | 引脚定义 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 计量芯片接口 | SPI | CS, SCK, MISO, MOSI | 注意时钟极性，CPOL=0, CPHA=0 |
| 4G模块接口 | UART | TX, RX, RTS, CTS | 波特率115200，流控可选 |
| 继电器控制 | GPIO | RELAY1, RELAY2 | 高电平有效，加光耦隔离 |
| PWM输出 | 定时器 | PWM_OUT | 1kHz, 占空比10%-90% |
| 串口屏 | UART | TX, RX | 波特率9600或115200 |
警告：接口定义一定要和硬件工程师对齐！我遇到过因为引脚定义不一致，导致PCB打样回来飞线的惨案。嗯，那次加班到凌晨三点，记忆犹新。
3.4 避坑指南
最后，分享几个我亲身经历的坑：
- 电源设计：主控、计量、通信模块要分开供电。我曾经把所有模块共用一个LDO，结果4G模块一发射，MCU就复位。后来加了DC-DC隔离才解决。
- 地线处理：模拟地和数字地要单点连接。计量芯片对地噪声特别敏感，我试过不分割地，计量误差直接超了5%。
- 预留调试接口：一定要留SWD或JTAG接口。别问我为什么，等你程序跑飞了就知道有多重要了。
好了，这一章就到这里。系统架构设计是地基，地基不稳，后面全是白搭。下一章咱们聊聊「硬件原理图设计」，到时候我会把计量电路、通信电路、电源电路一个个拆开来讲。记得带上你的原理图工具。