基于STM32和LabVIEW的USBType-C接口輸電控制器方案設計

黎 堅

（深圳軟通動力信息技術有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

隨著當代科技的發展，USB（universal serial Bus）接口是當下消費類電子設備使用最多的接口。隨著USB接口標準的發展，USB接口已經能夠進入3.1標準的時代。為了適應新的標準，USB Type-C接口應運而生。Type-C接口相比傳統的USB Type-A接口、USB Type-B接口，其有著巨大的優勢。Type-C接口具有尺寸更小，支持正反插，供電能力更強，傳輸速度更快的優點。

本文專門針對USBType-C接口電源傳輸控制，提出了一種低成本、可靠性高、實時性強的單芯片PD輸電控制器方案。STM32F103芯片是系統的控制核心，ADS1256電壓采樣模塊，STUSB4500獨立式USB PD(Power Delivery)控制器模塊，最終由STM32模塊處理采集后的A/D數據和控制PD控制器的工作模式。此方案既可以通過STUSB4500 PD控制器將普通設備升級到USB-C供電，讓設備不需要使用單獨專用的充電器與電源，也可以用來對USBType-C接口設備的電源實時監控（用于顯示負載電源接入類型與接口正反插狀態指示，以及配置源端電源輸出種類）。

1 系統方案

如圖1所示，系統采用意法半導體（ST）公司的微控制器STM32F103，USB Type-C接口電源電壓信號監控模塊ADS1256， STUSB4500 PD(Power Delivery)控制器和LabVIEW軟件相結合的USB-C輸電控制器方案。

該系統通過USB2.0接口傳輸下位機采集來的Type-C接口的電壓，并將信息傳輸至上位機。上位機則利用LabVIEW進行GUI界面的軟件開發，負責發送用戶指令以及對數據進行處理、顯示與存儲。

2 系統硬件

2.1 MCU控制器

系統采用ST公司STM32作為控制核心，STM32F103C8T6采用的是Cortex-M3內核ARM V7構架，不僅支持Thumb-2指令集，而且擁有許多新的特性。支持72 MHz的工作頻率，擁有64 k～128 k字節FALSH的代碼存儲空間。最大可以擴展至80PIN GPIO管腳，并支持SWD串行調試和并行JTAG兩種調試和記載模式，STM32103通過外部SPI接口訪問和讀取ADS1256芯片采集的電壓數據。圖2為STM32 MCU管腳分布圖。

圖2 STM32 MCU管腳分布圖

2.2 電源AD采樣模塊

因為需要監控Type-C接口的四路VBUS電源信號變化情況，可以通過A/D芯片分別進行實時監控。系統選用ADS1256[1]，圖3為ADS1256 A/D轉換原理圖。ADS1256是TI公司推出的8通道，24位高的精度高性能A/D采樣器。數據采樣速率高達30 kS/s。內置可編程放大器PGA，當PGA=1時，可以提供高達25.3位的有效分辨率；當PPGA＝64時，可以提供22.5位的有效分辨率。該芯片的模擬電壓供電輸入為5 V，數字電壓供電時輸入為1.8～3.6 V。芯片在低功耗模式下是功率為38 MW，備用模式下的功耗為0.4 MW。ADS1256[2]和STM32之間通過四線制SPI總線（時鐘信號線SCLK、數據輸入線DIN、數據輸出線DOUT和偏片選線CS）進行通信，用戶可以根據實際需要選擇差分輸入測量方式或者是單極測量方式。系統為了希望得到更精準的測量結果，將ADS1256的輸入配置成差分輸入形式。

圖3 ADS1256 A/D轉換原理圖

2.3 USB Type-C PD控制器

STUSB4500是一款通過相關行業認證的獨立式USBPD控制器，是專為使用USB-C線纜供電的受電端而設計的獨立式（Standlone）USB PD控制器。用戶可以使用芯片默認的內部NVM配置，也可以按照自己的應用方案去定義STUSB4500D的設置。圖4為STUSB4500內部結構框圖。圖5為STUSB4500芯片封裝圖。

圖4 STUSB4500內部結構框圖

圖5 STUSB4500芯片封裝圖

根據存放在內部非易失性存儲器（NVM）內的默認電源配置文件(PDO)包含了3種不同的VBUS電壓和電流組合。在獨立運行模式下，STUSB4500控制器會執行意法半導體自由算法，與供電設備協商輸電協議，無需額外的軟硬件支持。當然，也可以通過上位機下發指令給下位的STM32處理器進行選擇動態修改STUSB4500的電源配置文件，強制發起另一次輸電協商對話?？梢灾С侄喾NPDOs模式，從5 V/0.5 A至最高20 V/5.0 A供電的多種組合配置方式。

2.4 單板硬件設計框圖

如圖6所示，單板按功能主要劃分為兩個部分，第一部分是Type-C接口VBUS電壓數據采集電路，STM32主控制器通過SPI接口控制ADS1256去實時采集對應的電壓信號。第二部分是PD控制器配置不同PDOs，將協商后的VBUS通過PMOS管輸出至負載設備[3]。主要由STM32[4]通過I2C接口對STUSB4500進行用戶自定義PDOs的配置以適配不同負載對電壓的要求。

圖6 單板硬件示意框圖

3 系統軟件

3.1 MCU對A/D模塊配置程序

如圖7所示，先拉低片選信AD-CS選通ADS1256，再通過AD-RST的一個低電平復位AD轉換器，完成復位后初始化轉換器相關寄存器，并對AD自校準。啟動AD轉換后，通過DRDY信號判斷一次AD轉換是否結束。當DRDY為高電平時等待；當DRDY為低電平時讀取轉換結果并完成片內數字濾波，最后將結果通過SPI總線輸入至單片機。

圖7 ADS1256程序流程圖

圖8 STUSB4500程序框圖

3.2 MCU對STUSB4500模塊配置程序

等待用戶從上位機輸入對應的命令，進入手動負載設置模式或者進入自動適配設模式。手動模式都是固定的PDO配置，比如5 V-1.75 A、15 V-1.5 A、20 V-1 A。自動配置模式既可以使用STUSB4500內部默認非易失存儲器性NVM協商到協商輸電電壓，也可由用戶加載配置文件修改協商輸電電壓。圖8為STUSB4500程序框圖。

3.3 上位機GUI界面程序

該系統可以根據不同的終端設備要求在用戶設置的PDO下配置對應的充電電壓。同時VBUS電壓也被實時監控，時間戳列表則用來記錄對應USB-CVbus歷史數據。用戶可以導出數據，并將自動輪詢的電壓數值傳輸至Word、Excel等軟件。

系統上位機采用LabVIEW[5]作為開發軟件，同C#、VB、VCC++相比，LabVIEW界面不靈活、擴展性好、學習難度低。LabVIEW提供多種與傳統儀器相類似的控件，可以通過用戶自定義GUI界面。

圖9為實時的電壓USB Type-CVBUS監控面板的設計，用戶可以通過ADS1256芯片采集[6]查看Type-C接口在加入終端設備情況下的電壓變化情況。對應的后臺程序框圖設計如圖10所示，主要由數據采集處理和顯示模塊組成。

圖9 VBUS電壓監控前面板界面設計

圖10 VBUS電壓監控程序設計框圖

終端設備負載能力配置面板設計如圖11所示。用戶可以采用手動模式和自動適配模式來協商供電端Type-C設備的輸電電壓，面板時間戳表格存儲每次配置PDO結果，方便用戶后續查詢和分析。

圖11 設備負載能力配置面板設計

其中一部分關于自動模式和手動配置模式對應程序框圖設計如圖12所示。

圖12 手動和自動配置程序框圖

4 結束語

本文采用STM32單片機作為主控制器，STUSB4500 PD控制器將實現USBType-C端口負載能力協商的功能，并通過LabVIEW上位機界面實時顯示數據和傳輸用戶指令。經過實際論證，該輸電控制器方案具有操作簡單、穩定性高、數據采集實時性強的優點?？傊疚奶峁┝艘环N低成本、高可靠性的USBType-C接口輸電控制器思路和方案，使得許多諸如15～100W的便攜設備可以用一個標準的USBType-C接口取代專用充電器。