1   作者介紹

我來自北京，碩士研究生，中級(jí)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(jí)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(hào)，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(hào)，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(hào)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。看似又多了一個(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(hào)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：

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)

5.3.2 Uart串口輸出實(shí)現(xiàn)

5.3.3 LED呼吸燈

5.3.4 ADC采樣

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(huì)節(jié)省我實(shí)際項(xiàng)目的開發(fā)時(shí)間，也會(huì)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(huì)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）