基于TI MSPM0L1306芯片的共享充電寶系統(tǒng)設計

1   作者介紹

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)領域工作，涉及工業(yè)控制，網(wǎng)絡通訊，人機界面等項目。雖多年工作經驗，仍然熱愛著嵌入式開發(fā)，也擁抱開源，樂于分享。

2   項目概要

本次設計是在做項目選型時了解到TI 公司MSPM0L1306 芯片非常適合做為共享充電寶等小設備的主控芯片。于是，計劃使用MSPM0L1306 復刻共享充電寶系統(tǒng)。

共享充電寶系統(tǒng)主要有兩個核心功能：一、充電、放電控制，包含PD協(xié)議；二、管理與計費；還有輔助功能：充、放電監(jiān)測與保護功能；數(shù)據(jù)加密，解密與日志記錄功能等。

在本次原型設計中，我們將利用MSPM0L1306 的特性來快速、簡潔的實現(xiàn)上述功能。

3   系統(tǒng)架構圖

4   功能特性

TI 公司的MSPM0L1306 芯片有著豐富的外設，其中優(yōu)秀的數(shù)字通訊外設非常適合我們與外設器件進行數(shù)據(jù)交互，而強大的模擬外設不僅讓我們的PCB 設計簡單，也提高了應用的靈活性。下面我們簡單列出我們本次實現(xiàn)的主要功能，再重點講述一下，我們利用MSPM0L1306 芯片實現(xiàn)的高階應用。

4.1 系統(tǒng)時鐘

在本次項目設計中，我們考慮到共享充電寶是基于電池設備的原因，所以我們盡量降低MCU 的運行功耗。因此，我們將MSPM0L1306 的運行主頻設定為4MHz，并使用內部OSC 以減少功耗及BOM 成本。

4.2 Uart串口

我們使用Uart 串口做為我們調試輸出口，在調試階段打印輸出系統(tǒng)狀態(tài)，以便我們分析，了解程序運行狀態(tài)。在本次項目設計中，我們使用“9600-8-N-1”的串口配置參數(shù)。

4.3 Timer外設的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。即，在亮、滅兩種狀態(tài)下，增加呼吸燈狀態(tài)，以示當前在充、放電狀態(tài)。

4.4 RTC實時時鐘

共享充電寶需要有時基來計量當前使用時間，充電時間，放電時間等參數(shù)。我們在MSPM0L1306 芯片上使能LFOSC，其將產生32.768KHz 的時鐘源激勵RTC實時時鐘。

4.5 CRC校驗

CRC 校驗算法，其在數(shù)據(jù)完整性檢查方面是最廣泛的應用。部署CRC 算法的實現(xiàn)幾乎成為數(shù)據(jù)通訊的必選項，而在MSPM0L1306 芯片內，已經集成了CRC16和CRC32 兩種硬件算法，可以省去我們軟件實現(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，計費系統(tǒng)是關鍵，也是非常重要的一環(huán)。計費失敗導致的問題這里不多說，但每一個都“致命”級別的問題。而保障計費安全的一個有力措施就是對數(shù)據(jù)進行加密處理。復雜的AES 算法由MSPM0L1306的硬件模塊來實現(xiàn)，將使得加密不再復雜，不再影響系統(tǒng)性能。

4.7 NVM模塊

每個產品都要有一個唯一的產品序列號，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NVM 模塊便起到關鍵作用。我們也借助NVM 模塊，通過串口通道，將序列號寫入產品中。

4.8 I2C通訊

I2C 通訊是一個低成本，低速率的通訊協(xié)議。其使用2 線制即可傳輸數(shù)據(jù)，主要應用于板上通訊。在我們本次設計系統(tǒng)里面，我們主控芯片MSPM0L1306 做主設備通過I2C 外設與PD 充放電模塊從設備進行數(shù)據(jù)交互，獲取當前充電、放電的狀態(tài)，從而進行計費與統(tǒng)計功能。我們的I2C 外設配置速率為100Kbps。

4.9 I2C-SMBus通訊

SMBus 協(xié)議是I2C 協(xié)議的一個子集。其使用I2C 協(xié)議，但在其之上又進行了一層上層應用層的封裝，可謂“青出于藍，而勝于藍”。

在本項目中的共享充電寶來說，其可以選擇任意一個充電站，選擇任意一個充電槽。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，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技術難題。

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，領先同行的MCU?？此朴侄嗔艘粋€協(xié)議層，但我們具體實現(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。當我們把共享充電寶插入充電槽后，MSPM0L1306 則主動向Host 發(fā)起Notify 命令，當充電站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前從地址。當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前已經有共享充電寶插入，并分配了從地址。充電站之后則按此分配的從地址進行通訊。

在本項目中，我們還實現(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

共享充電寶在充、放電過程中，我們需要對其進行監(jiān)測，監(jiān)測充電寶當前的運行狀態(tài)，保護其不超壓，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)計充、放電量的數(shù)值。上述功能的實現(xiàn)，在MSPM0L1306 芯片下，其已經全部集成于一身，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 比較器快速響應過流，短路的情況發(fā)生；使用OPA 外設，輕松實現(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)實現(xiàn)

5.1 引腳分配

5.2 軟件架構

本項目軟件架構相對簡潔，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)結構

當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)，如本次充電時長，本次充電電量，本次放電時長，本次放電電量，當前電池電壓，當前電量，累計充電時長，累計充電電量，累計放電時長，累計放電電量等。我設計數(shù)據(jù)結構如下：

5.2.2 低功耗設計

在本項目中，低功耗設計有兩種應用場景：一、工作狀態(tài)下。當系統(tǒng)空閑時，進入sleep 狀態(tài)，以節(jié)省功耗；二、在共享充電寶低電量情況，則MSPM0L1306 進入深度休眠。

5.3 核心代碼

5.3.1 按鍵代碼實現(xiàn)

5.3.2 Uart串口輸出實現(xiàn)

5.3.3 LED呼吸燈

5.3.4 ADC采樣

6   項目展示

6.1 擴展板

6.2 成品實物圖

7   經驗分享

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，看到任務管理器中已經枚舉出來“XDS110”，打開Keil 軟件后，在debug 標簽頁選擇”CMSIS-DAP”選項即可連接調試。

所以，此XDS110 調試器，非彼XDS110。大家不要弄錯喲！

補充說明：在MSPM0L1306 的官方QuickGuide 文檔里面有特別提醒，只是我沒有仔細看。

8   項目總結

我們突出分享I2C-SMBus，低功耗與模塊外設這三個特性，主要是TI MSPM0L1306 芯片內部完美集成。我在電路設計時，無需再使用外圍器件實現(xiàn)，節(jié)約了PCB 面積，減少了BOM 物料，直接CostDown 了項目成本，而且還帶來了軟件實現(xiàn)的靈活性?！昂螛范粸槟兀俊?/p>

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)省我實際項目的開發(fā)時間，也會讓我更加從容面對項目周期的壓力。

感謝EEPW 論壇提供各種幫助，讓我有機會分享我的小作品。

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）