基于TI MSPM0L1306芯片的共享充電寶系統設計

1   作者介紹

我來(lái)自北京，碩士研究生，中級嵌入式工程師職稱(chēng)。畢業(yè)后一直從事嵌入式開(kāi)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(ài)著(zhù)嵌入式開(kāi)發(fā)，也擁抱開(kāi)源，樂(lè )于分享。

2   項目概要

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

共享充電寶系統主要有兩個(gè)核心功能：一、充電、放電控制，包含PD協(xié)議；二、管理與計費；還有輔助功能：充、放電監測與保護功能；數據加密，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(lái)快速、簡(jiǎn)潔的實(shí)現上述功能。

3   系統架構圖

4   功能特性

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

4.1 系統時(shí)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。

4.3 Timer外設的PWM模式

為節省共享充電寶的LED 顯示燈的數量，我們利用PWM 波調節LED 的狀態(tài)，以便顯示更多的狀態(tài)給用戶(hù)，增加用戶(hù)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(shí)時(shí)時(shí)鐘

共享充電寶需要有時(shí)基來(lái)計量當前使用時(shí)間，充電時(shí)間，放電時(shí)間等參數。我們在MSPM0L1306 芯片上使能LFOSC，其將產(chǎn)生32.768KHz 的時(shí)鐘源激勵RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

4.5 CRC校驗

CRC 校驗算法，其在數據完整性檢查方面是最廣泛的應用。部署CRC 算法的實(shí)現幾乎成為數據通訊的必選項，而在MSPM0L1306 芯片內，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，釋放部分算力與代碼空間。

4.6 AES加密解密算法

在共享充電寶系統中，計費系統是關(guān)鍵，也是非常重要的一環(huán)。計費失敗導致的問(wèn)題這里不多說(shuō)，但每一個(gè)都“致命”級別的問(wèn)題。而保障計費安全的一個(gè)有力措施就是對數據進(jìn)行加密處理。復雜的AES 算法由MSPM0L1306的硬件模塊來(lái)實(shí)現，將使得加密不再復雜，不再影響系統性能。

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(kāi)發(fā)階段寫(xiě)入的序列號，也就只能在出廠(chǎng)前寫(xiě)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(guò)串口通道，將序列號寫(xiě)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(xiàn)制即可傳輸數據，主要應用于板上通訊。在我們本次設計系統里面，我們主控芯片MSPM0L1306 做主設備通過(guò)I2C 外設與PD 充放電模塊從設備進(jìn)行數據交互，獲取當前充電、放電的狀態(tài)，從而進(jìn)行計費與統計功能。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(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(lái)說(shuō)，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(lái)接入充電站。這時(shí)，低成本的I2C 總線(xiàn)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)現步驟依然非常簡(jiǎn)單，僅需要根據共享充電寶的序列號來(lái)生成SMBus 協(xié)議下的UDID（128bit 數據）即可。當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(kāi)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(kāi)插槽失效），而充電站也記錄下當前已經(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。

在本項目中，我們還實(shí)現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(xiě)入數據。

4.10 ADC，OPA，COMP模擬外設

共享充電寶在充、放電過(guò)程中，我們需要對其進(jìn)行監測，監測充電寶當前的運行狀態(tài)，保護其不超壓，不過(guò)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，用于統計充、放電量的數值。上述功能的實(shí)現，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(lái)測量電池電壓，使用COMP 比較器快速響應過(guò)流，短路的情況發(fā)生；使用OPA 外設，輕松實(shí)現PD 協(xié)議下充電電壓的范圍變化而不影響測量精度。

5   系統實(shí)現

5.1 引腳分配

5.2 軟件架構

本項目軟件架構相對簡(jiǎn)潔，主要分為兩大部分：

一、充、放電狀態(tài)監測；

二、與充電站通訊；

5.2.1 流程圖

5.2.1 核心數據結構

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(shí)長(cháng)，本次充電電量，本次放電時(shí)長(cháng)，本次放電電量，當前電池電壓，當前電量，累計充電時(shí)長(cháng)，累計充電電量，累計放電時(shí)長(cháng)，累計放電電量等。我設計數據結構如下：

5.2.2 低功耗設計

在本項目中，低功耗設計有兩種應用場(chǎng)景：一、工作狀態(tài)下。當系統空閑時(shí)，進(jìn)入sleep 狀態(tài)，以節省功耗；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

5.3.2 Uart串口輸出實(shí)現

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(shí)物圖

7   經(jīng)驗分享

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我也遇到了一些困難，踩過(guò)一些坑。在這里也一并分享出來(lái)，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(kāi)發(fā)板上使用起來(lái)非常簡(jiǎn)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(lái)“XDS110”，打開(kāi)Keil 軟件后，在debug 標簽頁(yè)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(shuō)明：在MSPM0L1306 的官方QuickGuide 文檔里面有特別提醒，只是我沒(méi)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(gè)特性，主要是TI MSPM0L1306 芯片內部完美集成。我在電路設計時(shí)，無(wú)需再使用外圍器件實(shí)現，節約了PCB 面積，減少了BOM 物料，直接CostDown 了項目成本，而且還帶來(lái)了軟件實(shí)現的靈活性?！昂螛?lè )而不為呢？”

9   致謝

感謝TI 公司提供MSPM0L1306 開(kāi)發(fā)板，讓我提早試用，完成原型開(kāi)發(fā)，這必將會(huì )節省我實(shí)際項目的開(kāi)發(fā)時(shí)間，也會(huì )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(huì )分享我的小作品。

感謝其他在本原型開(kāi)發(fā)過(guò)程中幫助我的人。再次感謝您的收聽(tīng)，收看。

（本文來(lái)源于《EEPW》202501）