基于TI MSPM0L1306芯片的共享充電寶系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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1 作者介紹
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202501/466479.htm我來自北京，碩士研究生，中級嵌入式工程師職稱。畢業(yè)后一直從事嵌入式開發(fā)領(lǐng)域工作，涉及工業(yè)控制，網(wǎng)絡(luò)通訊，人機(jī)界面等項(xiàng)目。雖多年工作經(jīng)驗(yàn)，仍然熱愛著嵌入式開發(fā)，也擁抱開源，樂于分享。
2 項(xiàng)目概要
本次設(shè)計(jì)是在做項(xiàng)目選型時(shí)了解到TI 公司MSPM0L1306 芯片非常適合做為共享充電寶等小設(shè)備的主控芯片。于是，計(jì)劃使用MSPM0L1306 復(fù)刻共享充電寶系統(tǒng)。共享充電寶系統(tǒng)主要有兩個(gè)核心功能：一、充電、放電控制，包含PD協(xié)議；二、管理與計(jì)費(fèi)；還有輔助功能：充、放電監(jiān)測與保護(hù)功能；數(shù)據(jù)加密，解密與日志記錄功能等。
在本次原型設(shè)計(jì)中，我們將利用MSPM0L1306 的特性來快速、簡潔的實(shí)現(xiàn)上述功能。
3 系統(tǒng)架構(gòu)圖
4 功能特性
TI 公司的MSPM0L1306 芯片有著豐富的外設(shè)，其中優(yōu)秀的數(shù)字通訊外設(shè)非常適合我們與外設(shè)器件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，而強(qiáng)大的模擬外設(shè)不僅讓我們的PCB 設(shè)計(jì)簡單，也提高了應(yīng)用的靈活性。下面我們簡單列出我們本次實(shí)現(xiàn)的主要功能，再重點(diǎn)講述一下，我們利用MSPM0L1306 芯片實(shí)現(xiàn)的高階應(yīng)用。
4.1 系統(tǒng)時(shí)鐘
在本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，我們考慮到共享充電寶是基于電池設(shè)備的原因，所以我們盡量降低MCU 的運(yùn)行功耗。因此，我們將MSPM0L1306 的運(yùn)行主頻設(shè)定為4MHz，并使用內(nèi)部OSC 以減少功耗及BOM 成本。
4.2 Uart串口
我們使用Uart 串口做為我們調(diào)試輸出口，在調(diào)試階段打印輸出系統(tǒng)狀態(tài)，以便我們分析，了解程序運(yùn)行狀態(tài)。在本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，我們使用“9600-8-N-1”的串口配置參數(shù)。
4.3 Timer外設(shè)的PWM模式
為節(jié)省共享充電寶的LED 顯示燈的數(shù)量，我們利用PWM 波調(diào)節(jié)LED 的狀態(tài)，以便顯示更多的狀態(tài)給用戶，增加用戶體驗(yàn)。即，在亮、滅兩種狀態(tài)下，增加呼吸燈狀態(tài)，以示當(dāng)前在充、放電狀態(tài)。
4.4 RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘
共享充電寶需要有時(shí)基來計(jì)量當(dāng)前使用時(shí)間，充電時(shí)間，放電時(shí)間等參數(shù)。我們在MSPM0L1306 芯片上使能LFOSC，其將產(chǎn)生32.768KHz 的時(shí)鐘源激勵(lì)RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘。
4.5 CRC校驗(yàn)
CRC 校驗(yàn)算法，其在數(shù)據(jù)完整性檢查方面是最廣泛的應(yīng)用。部署CRC 算法的實(shí)現(xiàn)幾乎成為數(shù)據(jù)通訊的必選項(xiàng)，而在MSPM0L1306 芯片內(nèi)，已經(jīng)集成了CRC16和CRC32 兩種硬件算法，可以省去我們軟件實(shí)現(xiàn)，釋放部分算力與代碼空間。
4.6 AES加密解密算法
在共享充電寶系統(tǒng)中，計(jì)費(fèi)系統(tǒng)是關(guān)鍵，也是非常重要的一環(huán)。計(jì)費(fèi)失敗導(dǎo)致的問題這里不多說，但每一個(gè)都“致命”級別的問題。而保障計(jì)費(fèi)安全的一個(gè)有力措施就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理。復(fù)雜的AES 算法由MSPM0L1306的硬件模塊來實(shí)現(xiàn)，將使得加密不再復(fù)雜，不再影響系統(tǒng)性能。
4.7 NVM模塊
每個(gè)產(chǎn)品都要有一個(gè)唯一的產(chǎn)品序列號，我們共享充電寶亦如此。不再程序開發(fā)階段寫入的序列號，也就只能在出廠前寫入。此時(shí)NVM 模塊便起到關(guān)鍵作用。我們也借助NVM 模塊，通過串口通道，將序列號寫入產(chǎn)品中。
4.8 I2C通訊
I2C 通訊是一個(gè)低成本，低速率的通訊協(xié)議。其使用2 線制即可傳輸數(shù)據(jù)，主要應(yīng)用于板上通訊。在我們本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)里面，我們主控芯片MSPM0L1306 做主設(shè)備通過I2C 外設(shè)與PD 充放電模塊從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，獲取當(dāng)前充電、放電的狀態(tài)，從而進(jìn)行計(jì)費(fèi)與統(tǒng)計(jì)功能。我們的I2C 外設(shè)配置速率為100Kbps。
4.9 I2C-SMBus通訊
SMBus 協(xié)議是I2C 協(xié)議的一個(gè)子集。其使用I2C 協(xié)議，但在其之上又進(jìn)行了一層上層應(yīng)用層的封裝，可謂“青出于藍(lán)，而勝于藍(lán)”。
在本項(xiàng)目中的共享充電寶來說，其可以選擇任意一個(gè)充電站，選擇任意一個(gè)充電槽。所以，共享充電寶不可能以固定從地址的方式來接入充電站。這時(shí)，低成本的I2C 總線協(xié)議，再加上SMBus-ARP 協(xié)議則可以輕松解決這個(gè)技術(shù)難題。
TI 新推出的MSPM0L1306 系列MCU 不僅支持SMBus 協(xié)議，而且支持到了SMBus 3.0，領(lǐng)先同行的MCU?？此朴侄嗔艘粋€(gè)協(xié)議層，但我們具體實(shí)現(xiàn)步驟依然非常簡單，僅需要根據(jù)共享充電寶的序列號來生成SMBus 協(xié)議下的UDID（128bit 數(shù)據(jù)）即可。當(dāng)我們把共享充電寶插入充電槽后，MSPM0L1306 則主動(dòng)向Host 發(fā)起Notify 命令，當(dāng)充電站Host 接收到Notify 通知后，則按協(xié)議要求發(fā)起SMBus-ARP 流程，開始按步驟為共享充電寶分配當(dāng)前從地址。當(dāng)SMBus-ARP 流程完成后，充電寶則有自己的從地址（離開插槽失效），而充電站也記錄下當(dāng)前已經(jīng)有共享充電寶插入，并分配了從地址。充電站之后則按此分配的從地址進(jìn)行通訊。
在本項(xiàng)目中，我們還實(shí)現(xiàn)SMBus 協(xié)議命令中的BlockRead/Write 命令，用于充電站（Host）向共享充電寶獲取和寫入數(shù)據(jù)。
4.10 ADC，OPA，COMP模擬外設(shè)
共享充電寶在充、放電過程中，我們需要對其進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測充電寶當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，保護(hù)其不超壓，不過放，在短路、超壓等情況發(fā)生下，快速切斷連接；也要測量電流，用于統(tǒng)計(jì)充、放電量的數(shù)值。上述功能的實(shí)現(xiàn)，在MSPM0L1306 芯片下，其已經(jīng)全部集成于一身，不需要增加外圍器件。我們輕松使用12bit 的ADC 來測量電池電壓，使用COMP 比較器快速響應(yīng)過流，短路的情況發(fā)生；使用OPA 外設(shè)，輕松實(shí)現(xiàn)PD 協(xié)議下充電電壓的范圍變化而不影響測量精度。
5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
5.1 引腳分配
5.2 軟件架構(gòu)
本項(xiàng)目軟件架構(gòu)相對簡潔，主要分為兩大部分：
一、充、放電狀態(tài)監(jiān)測；
二、與充電站通訊；
5.2.1 流程圖
5.2.1 核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
當(dāng)共享充電寶返回充電站后，充電站需要收集共享充電寶的使用狀態(tài)，如本次充電時(shí)長，本次充電電量，本次放電時(shí)長，本次放電電量，當(dāng)前電池電壓，當(dāng)前電量，累計(jì)充電時(shí)長，累計(jì)充電電量，累計(jì)放電時(shí)長，累計(jì)放電電量等。我設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
typedef struct run_reg_s
{
uint32_t latest_charge_seconds;
uint32_t latest_charge_quantity;
uint32_t latest_discharge_seconds;
uint32_t latest_discharge_quantity;
uint32_t now_battery_voltage;
uint32_t now_quantity;
uint32_t total_charge_seconds;
uint32_t total_charge_quantity;
uint32_t total_discharge_seconds;
uint32_t total_discharge_quantity;
}run_reg_t;
5.2.2 低功耗設(shè)計(jì)
在本項(xiàng)目中，低功耗設(shè)計(jì)有兩種應(yīng)用場景：一、工作狀態(tài)下。當(dāng)系統(tǒng)空閑時(shí)，進(jìn)入sleep 狀態(tài)，以節(jié)省功耗；二、在共享充電寶低電量情況，則MSPM0L1306 進(jìn)入深度休眠。
5.3 核心代碼
5.3.1 按鍵代碼實(shí)現(xiàn)
#include “keyscan.h”
#include “ti/devices/msp/m0p/mspm0l130x.h”
#include “ti/driverlib/dl_gpio.h”
uint32_t keyscan_cnt;
key_scan_t key_s2 = {.state = key_init, .code =
0x00};
void keyscan_poll(key_scan_t *key) {
uint32_t ret = 0;
switch (key->state) {
case key_init: {
break;
}
case key_wait: {
ret = DL_GPIO_readPins(GPIOA, DL_GPIO_
PIN_14);
if (ret == 0) {
key->state = key_confi rm;
}
break;
}
case key_confi rm: {
ret = DL_GPIO_readPins(GPIOA, DL_GPIO_
PIN_14);
if (ret == 0) {
key->state = key_up;
} else {
key->state = key_wait;
}
break;
}
case key_up: {
ret = DL_GPIO_readPins(GPIOA, DL_GPIO_PIN_14);
if (ret != 0) {
key->state = key_up_confirm;
}
break;
}
case key_up_confirm: {
ret = DL_GPIO_readPins(GPIOA, DL_GPIO_PIN_14);
if (ret == 0) {
key->state = key_up;
} else {
key->code = 0x01;
key->state = key_trigger;
}
break;
}
case key_trigger: {
break;
}
}
}
5.3.2 Uart串口輸出實(shí)現(xiàn)
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include <stdarg.h>
#include <stdlib.h>
#include <ti/devices/msp/msp.h>
#include <ti/driverlib/driverlib.h>
#include <ti/driverlib/m0p/dl_core.h>
#include “ti_msp_dl_config.h”
#include “l(fā)og.h”
#if (LOG_PRINT_ENABLE == 1)
uint8_t log_printf_buf[128] = {0};
uint32_t log_buf_len = 0;
void log_out(uint8_t *buf, uint32_t len)
{
uint32_t i;
for (i = 0; i < len; i++)
{
DL_UART_transmitDataBlocking(UART_0_INST, buf[i]);
}
}
void log_printf(const uint8_t *format, ...)
{
va_list ptr;
va_start(ptr, format);
log_buf_len = vsprintf(log_printf_buf, format,
ptr);
va_end(ptr);
log_out(log_printf_buf, log_buf_len);
}
#endif
5.3.3 LED呼吸燈
static void rgb_ctrl(uint16_t rv, uint16_t gv, uint16_t bv) {
DL_Timer_setCaptureCompareValue(PWM_1_INST, rv, GPIO_PWM_1_C0_IDX);
DL_Timer_setCaptureCompareValue(PWM_0_INST, gv, GPIO_PWM_0_C1_IDX);
DL_Timer_setCaptureCompareValue(PWM_1_INST, bv, GPIO_PWM_1_C1_IDX);
}
static void led_rgb_show(void) {
static uint8_t led_seq = 0;
static uint16_t pwm_value = 0;
switch (led_seq) {
case 0: {
rgb_ctrl(pwm_value, 0, 0);
if (pwm_value < 1000) {
pwm_value += 100;
} else {
pwm_value = 0;
led_seq = 1;
}
break;
}
case 1: {
rgb_ctrl(0, pwm_value, 0);
if (pwm_value < 1000) {
pwm_value += 100;
} else {
pwm_value = 0;
led_seq = 2;
}
break;
}
case 2: {
rgb_ctrl(0, 0, pwm_value);
if (pwm_value < 1000) {
pwm_value += 100;
} else {
pwm_value = 0;
led_seq = 0;
}
break;
}
}
5.3.4 ADC采樣
rt_adc_state = adc_idle;
NVIC_EnableIRQ(ADC12_0_INST_INT_IRQN);
/* Confirm VREF has settled before triggeringADC12 conversion */
while (DL_VREF_CTL1_READY_NOTRDY ==DL_VREF_getStatus(VREF))
;
while (1)
{
if (timeline_ms > 1000)
{
timeline_ms = 0;
DL_GPIO_togglePins(GPIO_GRP_0_PORT,GPIO_GRP_0_PIN_0_PIN);
if (rt_adc_state == adc_idle)
{
DL_ADC12_startConversion(ADC12_0_INST);
rt_adc_state = adc_converting;
}
}
if (rt_adc_state == adc_ready)
{
val = DL_ADC12_getMemResult(ADC12_0_INST, DL_ADC12_MEM_IDX_0);
DL_ADC12_enableConversions(ADC12_0_INST);
rt_temperature = thermistor_calc_temperature(val);
6 項(xiàng)目展示
6.1 擴(kuò)展板
6.2 成品實(shí)物圖
7 經(jīng)驗(yàn)分享
在開發(fā)過程中，我也遇到了一些困難，踩過一些坑。在這里也一并分享出來，希望對大家有所幫助。
7.1 板載調(diào)試器XDS110
TI 公司的XDS110 的名氣非常大，但在MSPM0L1306 開發(fā)板上使用起來非常簡單。我們只需要連接到電腦，看到任務(wù)管理器中已經(jīng)枚舉出來“XDS110”，打開Keil 軟件后，在debug 標(biāo)簽頁選擇”CMSIS-DAP”選項(xiàng)即可連接調(diào)試。
所以，此XDS110 調(diào)試器，非彼XDS110。大家不要弄錯(cuò)喲！
補(bǔ)充說明：在MSPM0L1306 的官方QuickGuide 文檔里面有特別提醒，只是我沒有仔細(xì)看。
8 項(xiàng)目總結(jié)
我們突出分享I2C-SMBus，低功耗與模塊外設(shè)這三個(gè)特性，主要是TI MSPM0L1306 芯片內(nèi)部完美集成。我在電路設(shè)計(jì)時(shí)，無需再使用外圍器件實(shí)現(xiàn)，節(jié)約了PCB 面積，減少了BOM 物料，直接CostDown 了項(xiàng)目成本，而且還帶來了軟件實(shí)現(xiàn)的靈活性?！昂螛范粸槟?？”
9 致謝
感謝TI 公司提供MSPM0L1306 開發(fā)板，讓我提早試用，完成原型開發(fā)，這必將會節(jié)省我實(shí)際項(xiàng)目的開發(fā)時(shí)間，也會讓我更加從容面對項(xiàng)目周期的壓力。
感謝EEPW 論壇提供各種幫助，讓我有機(jī)會分享我的小作品。
感謝其他在本原型開發(fā)過程中幫助我的人。再次感謝您的收聽，收看。
（本文來源于《EEPW》202501）
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