在本系列分享中，將會(huì )依次對圖中主要子系統進(jìn)行介紹：

第一節、電池管理

第二節、電源管理

第三節、電機驅動(dòng)

第四節、傳感器及信號調理

第五節、人機交互界面

第一節 電池管理

掃地機器人典型應用是四節鋰電池串聯(lián)使用。電池管理分為電池保護以及充電管理兩個(gè)部分。如下圖所示， 電池保護部分一般會(huì )設計在電池包里面，針對電池在各種工況下的異常情況進(jìn)行診斷和保護。 充電管理會(huì )在掃地機器人主板上或在充電塢上，負責對鋰電池充電曲線(xiàn)進(jìn)行管理，以實(shí)現高效，安全的充電。

下面分別介紹電池充電管理，電池保護和電量計TI相關(guān)的解決方案：

1.1  充電管理

鋰電池為了保證電池安全和壽命，對于充電過(guò)程要求分為四個(gè)階段：涓流充電（低壓預充）、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。同時(shí)還會(huì )有電池電壓檢測、輸入電流限制、充電完成后關(guān)斷充電器、電池部分放電后自動(dòng)啟動(dòng)充電等功能的要求。這意味著(zhù)鋰電池的充電需要使用專(zhuān)用電池充電芯片，才能更好的保證電池安全和壽命。TI提供的充電芯片BQ24773可從各方面優(yōu)化充電管理的設計和性能：

以上便是BQ24773原理的基本簡(jiǎn)介，更多細節，請參閱BQ24773數據手冊。

TI提供的專(zhuān)用充電IC能夠給系統提供精準的充電控制，完備的保護機制。對提升產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化系統成本有非常重要的意義。 專(zhuān)用充電IC的使用，不僅僅能夠給系統帶來(lái)更全面和精準的充電，還能夠提高電池的使用壽命，降低整體的成本，更多細節可查看以下博客：

The value of a charger IC over a discrete solution for vacuum robots

1.2  電池保護和電量計

該功能的實(shí)現有依賴(lài)于專(zhuān)用鋰電池保護IC。 根據用戶(hù)的不同需求，TI可以提供四種不同類(lèi)型的保護方案：

以下為重點(diǎn)方案的產(chǎn)品介紹：

1)    BQ4050

TI的電量計技術(shù)在精確測量電池容量、獲取反映電池健康狀況及安全診斷等數據的同時(shí)，還能夠實(shí)現過(guò)壓、過(guò)流、溫度保護和電壓均衡等功能。以上電池信息還能夠通過(guò)SMBUS發(fā)送給主機，通過(guò)WIFI等方式連接到用戶(hù)終端，方便用戶(hù)及時(shí)了解掃地機器人的電池健康狀況。

德州儀器 (TI) 的 BQ4050 器件采用補償放電終止電壓 (CEDV) 技術(shù)，是一款高度集成的高精度 1-4 節電池電量測量?jì)x表和保護解決方案，可實(shí)現自主的充電器控制和電池均衡。

以上便是BQ4050原理的基本特性介紹，更多細節請參閱BQ4050數據手冊 和BQ4050技術(shù)參考手冊。

2)    BQ77905

鋰電池在使用的過(guò)程中，一旦出現過(guò)壓或者過(guò)流（短路）等問(wèn)題，不僅會(huì )影響電池的壽命，更會(huì )帶來(lái)安全問(wèn)題。這意味著(zhù)所有使用鋰電池的設備，必須要加裝電池保護器，以使鋰電池能在一個(gè)相對安全的環(huán)境中正常工作。

TI提供的BQ77905是3-5 節超低功耗電壓、電流、溫度和開(kāi)路可堆疊鋰離子電池保護器，無(wú)需微控制器 (MCU) 控制即可實(shí)現一系列電壓、電流和溫度保護。該器件正好滿(mǎn)足掃地機器人產(chǎn)品4S鋰電池的需求，單芯片可實(shí)現過(guò)壓，過(guò)流，短路，溫度等保護。

BQ77905還可以支持堆疊使用適應更多節數，更多細節請請參閱BQ77905數據手冊 和更多BQ77905應用手冊。

第二節 電源管理

掃地機器人中的電源管理典型的電源軌如下藍色框圖所示：系統從4串鋰電池取電，經(jīng)過(guò)一級降壓轉換為5V，給到外置模塊，部分傳感器以及相關(guān)邏輯電路供電。 5V還會(huì )經(jīng)過(guò)二級降壓轉換為后級系統所需的3.3V, 1.8V等。一級降壓電路通常功耗較大，會(huì )選擇DCDC變換器。而二級降壓電路通常功耗較小，可根據用戶(hù)實(shí)際情況選擇LDO或者DCDC。一個(gè)典型的掃地機器人電源樹(shù)如下圖所示。

2.1  降壓型DCDC

通常來(lái)講，帶電池設備為了讓運行時(shí)間更長(cháng)，系統會(huì )對效率，靜態(tài)功耗等指標提出要求。 同時(shí)，成本同樣是非常重要的考慮因素。TI的電源管理產(chǎn)品在性能和成本做到很好的平衡。以下為T(mén)I在掃地機器人產(chǎn)品中最受歡迎的一些物料，耐壓范圍從24V-40V不等，適合用于第一級降壓電路：

我們以TPS54202舉例說(shuō)明：

該芯片支持最大輸入28V持續電壓，適合4串鋰電池的應用場(chǎng)合。其同步整流的結構可以保證滿(mǎn)載時(shí)高達98%的效率，同時(shí)，由于輕載跳頻模式，在輕載情況下可以保證高效，如10mA輸出電流情況下效率可達90%以上。

2.2  線(xiàn)性穩壓LDO

線(xiàn)性穩壓相對于降壓型DCDC變換器而言，其輸出紋波會(huì )更小，噪聲會(huì )更少，有利于掃地機器人系統中的處理器，MCU，還有部分傳感器的穩定運行，適合用于第一級降壓電路。 因此，在輸入輸出壓差不大的情況下，LDO是電源管理方案的優(yōu)選。TI提供業(yè)內最為廣泛的LDO產(chǎn)品。在不同的輸入輸出電壓，電流，封裝，壓差，靜態(tài)電流，功耗，噪聲指標下，TI都能提供高性?xún)r(jià)比的方案。

我們以TLV758P為例子說(shuō)明：

第三節 電機驅動(dòng)

典型的掃地機器人產(chǎn)品中有非常多需要用到電機驅動(dòng)的場(chǎng)合，如： 左右輪子，主刷，邊刷，水泵，吸塵電機，LDS旋轉座等。 TI針對不同的電機類(lèi)型以及負載大小有非常全面的產(chǎn)品目錄可供選擇。

以主輪驅動(dòng)應用為例說(shuō)明：

主輪的電機通常為12V的直流有刷電機。 承擔的前轉，后轉，里程記錄，堵轉檢測等功能。TI的DRV8870有刷電機驅動(dòng)產(chǎn)品，配合TI超高性?xún)r(jià)比運放TLV9061，可以完美實(shí)現以上所有功能。TI同時(shí)還提供實(shí)現該功能的參考設計TIDA-01588, 通過(guò)注冊官網(wǎng)myTI，可以免費瀏覽，下載該參考設計的設計文檔，原理圖，測試文檔等源文件。

該參考設計基本架構如下所示:

如圖所示，系統電源為10.8V DC，跨接一個(gè)TVS保護，通過(guò)DRV8870來(lái)驅動(dòng)有刷電機BDC。10.8V DC經(jīng)過(guò)LDO線(xiàn)性穩壓器TPS709給微控制器MSP430FR2433供電，微控制器給DRV8870發(fā)出指令控制電機，實(shí)現掃地機器人主輪的正轉，反轉，剎車(chē)，空擋滑行等功能。同時(shí)DRV8870通過(guò)外置采樣電阻，結合運放TLV9061進(jìn)行電流檢測，實(shí)現堵轉檢測等功能。位于電機上的光電計數器或者霍爾傳感器信號通過(guò)ESD接口芯片ESD122反饋到微控制器，可以實(shí)現電機測試歷程記錄等功能。

更多詳情，請參閱DRV8870數據手冊。

除了該參考設計中所推薦的DRV8870外，TI還有以下具有特色的方案值得推薦：DRV8876。以下是款產(chǎn)品的介紹: DRV8876是一款高集成度 H橋驅動(dòng)器，內置N-MOSFET，charge pump，電流采樣轉換，以及各類(lèi)保護電路。非常適合用于掃地機器人的主輪驅動(dòng)，或者主刷驅動(dòng)。DRV8876最大的亮點(diǎn)在于超高集成度，通過(guò)內置采樣電路和信號調理，實(shí)現堵轉檢測。與傳統的驅動(dòng)方案（如DRV8870）相比，可以節省設計者的一顆功率采樣電阻，以及一顆堵轉檢測的運放。

另外，DRV8876可以通過(guò)設置睡眠模式來(lái)保持超低的待機功耗（<1uA），以保證掃地機器人電池能最大限度節能。

更多詳情，請參閱DRV8846數據手冊。

第四節 傳感器及信號調理

掃地機器人作為智能化的小家電產(chǎn)品，傳感器是其最核心的零部件之一。典型需要傳感器實(shí)現的功能包括有：避障傳感，沿墻傳感，懸崖檢測，虛擬墻檢測，碰撞傳感，里程檢測，自動(dòng)回充檢測，視覺(jué)傳感及導航等。除此之外，不同產(chǎn)品根據不同功能也會(huì )有不一樣的傳感器需求，如塵盒/水箱檢測，車(chē)輪異常檢測等。

TI提供以下幾類(lèi)傳感器實(shí)現以上功能：

4.1  霍爾傳感器

霍爾傳感器可用于實(shí)現車(chē)輪里程計，虛擬墻檢測，如塵盒/水箱檢測，車(chē)輪異常檢測等功能。

TI的霍爾傳感器有以下特點(diǎn)：

1） 寬泛的輸入耐壓（1.65V-38V）確保通用性，可靠性；

2） 超低待機功耗（<1uA）利于電池設備延長(cháng)使用時(shí)長(cháng)；

3） 多種帶寬可選(5Hz, 20Hz, 160Hz, 2KHz, 30KHz)

4） 多種封裝可選（SOT-23, TO-92，X2SON）

4.2  1D TOF

1D ToF可用于避障傳感，懸崖檢測，視覺(jué)傳感及導航等功能。以下簡(jiǎn)單介紹TI 1D TOF器件OPT3101的基本工作原理以及在掃地機器人上的應用。

1)    OPT3101基本工作原理以及優(yōu)點(diǎn)

ToF (Time of Flight) 全稱(chēng)時(shí)間飛行傳感器。ToF 核心系統是由光發(fā)射器 (激光，LED 和IR 等）和光接收器 (光電二極管)組成。發(fā)射器的調制信號經(jīng)物體反射后，部分地回到接收器。通過(guò)測量發(fā)射光信號和接收光信號之間的相位差信息可以獲得被測物體深度(距離) 信息，進(jìn)而實(shí)現長(cháng)距離接近感應和距離測量等功能。

2)    TI的ToF傳感器 OPT3101具有如下特性和優(yōu)點(diǎn)

• 遠距離測距、障礙檢測和躲避，15 米不模糊的范圍內具有16 位距離輸出，可通過(guò)去混疊技術(shù)擴展距離范圍

• 多種光電二極管和發(fā)射極的靈活定制設計 (寬波長(cháng)范圍)

• 高達4kHz 的采樣率

• 出色的環(huán)境光和陽(yáng)光抑制性能 （室外和室內），不依賴(lài)于物體顏色和反射率的測距

• 自適應HDR 節省功耗并提高動(dòng)態(tài)范圍

• 支持3 個(gè)發(fā)射器通道，滿(mǎn)足多區域操作需求

• 集成照明驅動(dòng)器，具有高達173mA 的可編程電流控制能力

3)    OPT3101在掃地機器人中的應用

• 利用OPT3101抗干擾性能強，精度高的特點(diǎn)。非常適合在掃地機器人中實(shí)現主避障檢測功能。與傳統紅外的方式對比，可以實(shí)現精確距離信號的檢測，一致性更好，抗光強干擾能力更好。

• 利用OPT3101不受物體顏色的影響，可以實(shí)現更加可靠的懸崖檢測：

• 利用OPT3101的特性，還可以構成旋轉ToF激光雷達傳感器，實(shí)現二維平面360度全方位激光測距，并產(chǎn)生所在空間的平面點(diǎn)云地圖信息，配合SLAM算法，可以實(shí)現精確的地圖構建，定位導航等功能。關(guān)于該功能實(shí)現更多細節請聯(lián)系當地TI銷(xiāo)售代表以及技術(shù)支持。

4.3  通用運算放大器TLV900X系列

除傳感器本體外，TI提供了傳感器后級的信號調理方案。 掃地機器人應用中典型的需求是通用運算放大器。 常見(jiàn)場(chǎng)合是用于電機電流采樣，電池充電采樣，電池包溫度信號調理，紅外傳感器信號調理等。TI提供的通用運放類(lèi)型產(chǎn)品可以完全覆蓋以上應用場(chǎng)合。以下產(chǎn)品介紹為目前TI主推的高性?xún)r(jià)比通用運放TLV900X。

TLV900x是適用于成本敏感型系統的低功耗、軌對軌輸入輸出、1MHz 通用運算放大器。TLV900x 系列包括單通道 (TLV9001)、雙通道(TLV9002)、 和四通道 (TLV9004) 低電壓（1.8V 至5.5V）運算放大器。具有以下特性：

1)    軌至軌輸入和輸出

2)    低輸入失調電壓：±0.4mV

3)    單位增益帶寬：1MHz

4)    由于具有電阻式開(kāi)環(huán)輸出阻抗，因此可在更高的電容負載 (100pF)下更輕松地實(shí)現穩定

5)    低寬帶噪聲：27nV/√Hz @ 1kHz

6)    低輸入偏置電流：5pA

7)    低靜態(tài)電流：60μA/通道

8)    可在電源電壓低至 1.8V 的電壓下運行

9)    內部射頻干擾 (RFI) 和電磁干擾 (EMI) 濾波器

10)  擴展溫度范圍：–40°C 至 +125°C

以上便是通用運放TLV900X的基本簡(jiǎn)介，更多細節，請參閱TLV900X數據手冊。除此之外，對于帶寬要求更高，擺率要求更高的場(chǎng)合，我們還有TLV906X(帶寬10MHz), TLV905X(擺率15V/us)等系列產(chǎn)品供選擇。

第五節、人機交互界面

豐富的人機交互功能可以給掃地機器人產(chǎn)品帶來(lái)更好的用戶(hù)體驗和產(chǎn)品附加值。TI在該領(lǐng)域提供諸多解決方案： LED顯示，電容觸摸，語(yǔ)音功放，無(wú)線(xiàn)連接等等。接下來(lái)以L(fǎng)ED顯示以及電容觸摸方案為代表介紹。

5.1  LED顯示

TI的LED產(chǎn)品覆蓋多樣的應用場(chǎng)景，包括： 指示燈背光驅動(dòng)，LED數碼管顯示驅動(dòng)，以及呼吸/跑馬燈。 對于掃地機器人產(chǎn)品而言，LED燈通常用于狀態(tài)指示，用戶(hù)可以根據不同的產(chǎn)品需求，選擇不同類(lèi)型的顯示方式。TI LED驅動(dòng)芯片帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)包括：1） 節約MCU I/O口。2） 恒流驅動(dòng)，高效可靠。3）無(wú)需大量軟件資源即能實(shí)現特殊燈效。 以下為T(mén)I LED產(chǎn)品在掃地機器人應用中的大致分類(lèi)和推薦：

以L(fǎng)P50XX系列產(chǎn)品舉例說(shuō)明：LP50XX系列是TI全新一代RGB三色燈驅動(dòng)，可以在占用MCU極少資源的情況下，實(shí)現多個(gè)通道RGB三色燈的控制，實(shí)現精準恒流，亮暗，顏色變化，以及圖案組合等效果。該產(chǎn)品實(shí)現的燈效能給掃地機器人帶來(lái)與眾不同的人機交互體驗。其開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)易程度，也有利于產(chǎn)品快速上市。 

更多詳細信息可以查看LP50XX規格書(shū), 更多LED選型可以查看TI官網(wǎng)： LED選型。

5.2    MSP430 Captivate MCU

MSP430 captivate系列MCU是TI最新一代基于電容式的觸摸方案。 有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1） 可靠性： 芯片通過(guò)IEC61000-4-X認證，可以有效地抵抗噪聲，防止誤觸發(fā)；

2） 通用性：該方案可用于各類(lèi)材料面板的觸摸（玻璃，塑料，金屬），還能夠實(shí)現簡(jiǎn)單的手勢識別，接近感應以及液位檢測。

3） 低功耗：TI Captivate MCU沿襲了TI MCU一貫的超低待機功耗特性，非常適合電池式產(chǎn)品如掃地機器人。

4） 高分辨率： 超高分辨率，有利于實(shí)現滑條，滾輪等觸摸效果。

5） 簡(jiǎn)易開(kāi)發(fā)： TI提供完整的圖形化編程界面，只需要5分鐘即可實(shí)現自定義設計。

以MSP430FR2522產(chǎn)品舉例說(shuō)明:

MSP430FR2522的主要參數指標如下所示：

1）  15個(gè)I/O口，其中8個(gè)I/O可用于電容感應。

2）  頻率最高支持16Mhz，7KB FRAM存儲空間。

3）  內置8個(gè)10bit ADC。

4）  超低待機功耗：正常運行（120uA/MHz）,待機模式（<4uA）,關(guān)斷模式（36nA）。

5）  VQFN，TSSOP封裝可選。

5.3    TI參考設計

針對如上所提兩種人機交互功能，TI整合并定制了一款參考設計TIDA-01559。它采用了 MSP430FR2522 MCU 和 LP5569 LED 驅動(dòng)器，可通過(guò) LED 引擎控制實(shí)現極低的待機功耗并減少 MCU 的負載資源。該解決方案可應用于需要具有出色 EMI 性能和抗濕性能的低功耗 HMI 的應用中，該設計可應用與掃地機器人產(chǎn)品中。

該參考設計的系統框圖和實(shí)物圖如下方所示，可實(shí)現功能包括：

1)    利用MSP430FR2522實(shí)現玻璃/塑料面板觸摸按鍵，以及接近喚醒。

2)    利用LP5569實(shí)現RGB三色燈環(huán)的特殊效果（呼吸，閃爍，漸變等）

3)    利用LP5569配合MSP430FR2522實(shí)現LED閃爍與手觸摸成隨動(dòng)效果。