基于TI MSPM0L1306芯片的共享充电宝系统设计

1   作者介绍

我来自北京，硕士研究生，中级嵌入式工程师职称。毕业后一直从事嵌入式开发领域工作，涉及工业控制，网络通讯，人机界面等项目。虽多年工作经验，仍然热爱着嵌入式开发，也拥抱开源，乐于分享。

2   项目概要

本次设计是在做项目选型时了解到TI 公司MSPM0L1306 芯片非常适合做为共享充电宝等小设备的主控芯片。于是，计划使用MSPM0L1306 复刻共享充电宝系统。

共享充电宝系统主要有两个核心功能：一、充电、放电控制，包含PD协议；二、管理与计费；还有辅助功能：充、放电监测与保护功能；数据加密，解密与日志记录功能等。

在本次原型设计中，我们将利用MSPM0L1306 的特性来快速、简洁的实现上述功能。

3   系统架构图

4   功能特性

TI 公司的MSPM0L1306 芯片有着丰富的外设，其中优秀的数字通讯外设非常适合我们与外设器件进行数据交互，而强大的模拟外设不仅让我们的PCB 设计简单，也提高了应用的灵活性。下面我们简单列出我们本次实现的主要功能，再重点讲述一下，我们利用MSPM0L1306 芯片实现的高阶应用。

4.1 系统时钟

在本次项目设计中，我们考虑到共享充电宝是基于电池设备的原因，所以我们尽量降低MCU 的运行功耗。因此，我们将MSPM0L1306 的运行主频设定为4MHz，并使用内部OSC 以减少功耗及BOM 成本。

4.2 Uart串口

我们使用Uart 串口做为我们调试输出口，在调试阶段打印输出系统状态，以便我们分析，了解程序运行状态。在本次项目设计中，我们使用“9600-8-N-1”的串口配置参数。

4.3 Timer外设的PWM模式

为节省共享充电宝的LED 显示灯的数量，我们利用PWM 波调节LED 的状态，以便显示更多的状态给用户，增加用户体验。即，在亮、灭两种状态下，增加呼吸灯状态，以示当前在充、放电状态。

4.4 RTC实时时钟

共享充电宝需要有时基来计量当前使用时间，充电时间，放电时间等参数。我们在MSPM0L1306 芯片上使能LFOSC，其将产生32.768KHz 的时钟源激励RTC实时时钟。

4.5 CRC校验

CRC 校验算法，其在数据完整性检查方面是最广泛的应用。部署CRC 算法的实现几乎成为数据通讯的必选项，而在MSPM0L1306 芯片内，已经集成了CRC16和CRC32 两种硬件算法，可以省去我们软件实现，释放部分算力与代码空间。

4.6 AES加密解密算法

在共享充电宝系统中，计费系统是关键，也是非常重要的一环。计费失败导致的问题这里不多说，但每一个都“致命”级别的问题。而保障计费安全的一个有力措施就是对数据进行加密处理。复杂的AES 算法由MSPM0L1306的硬件模块来实现，将使得加密不再复杂，不再影响系统性能。

4.7 NVM模块

每个产品都要有一个唯一的产品序列号，我们共享充电宝亦如此。不再程序开发阶段写入的序列号，也就只能在出厂前写入。此时NVM 模块便起到关键作用。我们也借助NVM 模块，通过串口通道，将序列号写入产品中。

4.8 I2C通讯

I2C 通讯是一个低成本，低速率的通讯协议。其使用2 线制即可传输数据，主要应用于板上通讯。在我们本次设计系统里面，我们主控芯片MSPM0L1306 做主设备通过I2C 外设与PD 充放电模块从设备进行数据交互，获取当前充电、放电的状态，从而进行计费与统计功能。我们的I2C 外设配置速率为100Kbps。

4.9 I2C-SMBus通讯

SMBus 协议是I2C 协议的一个子集。其使用I2C 协议，但在其之上又进行了一层上层应用层的封装，可谓“青出于蓝，而胜于蓝”。

在本项目中的共享充电宝来说，其可以选择任意一个充电站，选择任意一个充电槽。所以，共享充电宝不可能以固定从地址的方式来接入充电站。这时，低成本的I2C 总线协议，再加上SMBus-ARP 协议则可以轻松解决这个技术难题。

TI 新推出的MSPM0L1306 系列MCU 不仅支持SMBus 协议，而且支持到了SMBus 3.0，领先同行的MCU。看似又多了一个协议层，但我们具体实现步骤依然非常简单，仅需要根据共享充电宝的序列号来生成SMBus 协议下的UDID（128bit 数据）即可。当我们把共享充电宝插入充电槽后，MSPM0L1306 则主动向Host 发起Notify 命令，当充电站Host 接收到Notify 通知后，则按协议要求发起SMBus-ARP 流程，开始按步骤为共享充电宝分配当前从地址。当SMBus-ARP 流程完成后，充电宝则有自己的从地址（离开插槽失效），而充电站也记录下当前已经有共享充电宝插入，并分配了从地址。充电站之后则按此分配的从地址进行通讯。

在本项目中，我们还实现SMBus 协议命令中的BlockRead/Write 命令，用于充电站（Host）向共享充电宝获取和写入数据。

4.10 ADC，OPA，COMP模拟外设

共享充电宝在充、放电过程中，我们需要对其进行监测，监测充电宝当前的运行状态，保护其不超压，不过放，在短路、超压等情况发生下，快速切断连接；也要测量电流，用于统计充、放电量的数值。上述功能的实现，在MSPM0L1306 芯片下，其已经全部集成于一身，不需要增加外围器件。我们轻松使用12bit 的ADC 来测量电池电压，使用COMP 比较器快速响应过流，短路的情况发生；使用OPA 外设，轻松实现PD 协议下充电电压的范围变化而不影响测量精度。

5   系统实现

5.1 引脚分配

5.2 软件架构

本项目软件架构相对简洁，主要分为两大部分：

一、充、放电状态监测；

二、与充电站通讯；

5.2.1 流程图

5.2.1 核心数据结构

当共享充电宝返回充电站后，充电站需要收集共享充电宝的使用状态，如本次充电时长，本次充电电量，本次放电时长，本次放电电量，当前电池电压，当前电量，累计充电时长，累计充电电量，累计放电时长，累计放电电量等。我设计数据结构如下：

5.2.2 低功耗设计

在本项目中，低功耗设计有两种应用场景：一、工作状态下。当系统空闲时，进入sleep 状态，以节省功耗；二、在共享充电宝低电量情况，则MSPM0L1306 进入深度休眠。

5.3 核心代码

5.3.1 按键代码实现

5.3.2 Uart串口输出实现

5.3.3 LED呼吸灯

5.3.4 ADC采样

6   项目展示

6.1 扩展板

6.2 成品实物图

7   经验分享

在开发过程中，我也遇到了一些困难，踩过一些坑。在这里也一并分享出来，希望对大家有所帮助。

7.1 板载调试器XDS110

TI 公司的XDS110 的名气非常大，但在MSPM0L1306 开发板上使用起来非常简单。我们只需要连接到电脑，看到任务管理器中已经枚举出来“XDS110”，打开Keil 软件后，在debug 标签页选择”CMSIS-DAP”选项即可连接调试。

所以，此XDS110 调试器，非彼XDS110。大家不要弄错哟！

补充说明：在MSPM0L1306 的官方QuickGuide 文档里面有特别提醒，只是我没有仔细看。

8   项目总结

我们突出分享I2C-SMBus，低功耗与模块外设这三个特性，主要是TI MSPM0L1306 芯片内部完美集成。我在电路设计时，无需再使用外围器件实现，节约了PCB 面积，减少了BOM 物料，直接CostDown 了项目成本，而且还带来了软件实现的灵活性。“何乐而不为呢？”

9   致谢

感谢TI 公司提供MSPM0L1306 开发板，让我提早试用，完成原型开发，这必将会节省我实际项目的开发时间，也会让我更加从容面对项目周期的压力。

感谢EEPW 论坛提供各种帮助，让我有机会分享我的小作品。

感谢其他在本原型开发过程中帮助我的人。再次感谢您的收听，收看。

（本文来源于《EEPW》202501）