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基于TI MSPM0L1306芯片的共享充電寶系統(tǒng)設(shè)計

作者:鄭思源 時間:2025-01-20 來源:EEPW 收藏

1   作者介紹

本文引用地址:http://m.ptau.cn/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,人機界面等項目。雖多年工作經(jīng)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(shè)計是在做項目選型時了解到TI 公司L1306 芯片非常適合做為等小設(shè)備的主控芯片。于是,計劃使用L1306 復(fù)刻系統(tǒng)。

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(shè)計中,我們將利用L1306 的特性來快速、簡潔的實現(xiàn)上述功能。

3   系統(tǒng)架構(gòu)圖

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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)器件進行數(shù)據(jù)交互,而強大的模擬外設(shè)不僅讓我們的PCB 設(shè)計簡單,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(yīng)用。

4.1 系統(tǒng)時鐘

在本次項目設(shè)計中,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 的運行功耗。因此,我們將MSPM0L1306 的運行主頻設(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,了解程序運行狀態(tài)。在本次項目設(shè)計中,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。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實時時鐘

共享充電寶需要有時基來計量當(dāng)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(chǎn)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(yīng)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(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(guān)鍵,也是非常重要的一環(huán)。計費失敗導(dǎo)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(fù)雜的AES 算法由MSPM0L1306的硬件模塊來實現(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

每個產(chǎn)品都要有一個唯一的產(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)備進行數(shù)據(jù)交互,獲取當(dāng)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(shè)配置速率為100Kbps。

4.9 I2C-SMBus通訊

SMBus 協(xié)議是I2C 協(xié)議的一個子集。其使用I2C 協(xié)議,但在其之上又進行了一層上層應(yīng)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(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。看似又多了一個協(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(dāng)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(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(shè)

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(dāng)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(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

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5.2 軟件架構(gòu)

本項目軟件架構(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

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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),如本次充電時長,本次充電電量,本次放電時長,本次放電電量,當(dāng)前電池電壓,當(dāng)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(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下:

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5.2.2 低功耗設(shè)計

在本項目中,低功耗設(shè)計有兩種應(yīng)用場景:一、工作狀態(tài)下。當(dāng)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)

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5.3.2 Uart串口輸出實現(xiàn)

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5.3.3 LED呼吸燈

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5.3.4 ADC采樣

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6   項目展示

6.1 擴展板

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6.2 成品實物圖

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7   經(jīng)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(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”選項即可連接調(diào)試。

所以,此XDS110 調(diào)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(jié)

我們突出分享I2C-SMBus,低功耗與模塊外設(shè)這三個特性,主要是TI MSPM0L1306 芯片內(nèi)部完美集成。我在電路設(shè)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》



關(guān)鍵詞: 202501 MSPM0L1306 共享充電寶 MSPM0

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