基于S32K144实现TPS929120的基本控制功能

文章目录

- 前言
- 1.TPS92910简介
- 2.硬件调试平台
- - 2.1 灯板原理图
  - 2.2 参考电流
  - 2.3 器件地址
- 3.TPS929120通信协议
- - 3.1 物理层
  - 3.2 数据链路层
  - 3.3 传输层
  - - 2.3.1 读写时序
    - 2.3.2 帧格式说明
    - 2.3.3 寄存器lock与unlock
    - 2.3.4 输出通道控制
- 4.使用S32K144驱动TPS92910
- - 4.1 实现命令帧格式
  - - 4.1.1 写寄存器的帧格式
    - 4.1.1 读寄存器的帧格式
  - 4.2 实现Uart串口收发
  - 4.3 实现基本的控制功能
  - 4.3.1 操作TPS92910的基本函数
  - 4.3.1 TPS929120控制流程
- 5.参考资料

前言

最近拜访一些车灯客户时，发现使用最多的多通道LED Driver是TI的TPS929120，恰好我们代理的国产线正在做对标TPS929120的产品。为了方便后面的车灯方案推广，笔者和同事参考TI官网的资料，做了一套TPS929120的demo板，同时主控MCU采用了现在最火的车规通用MCU–S32K144，并配套编写了简单的软件demo。
如下是笔者学习TPS929120时整理的内容，希望对需要快速熟悉TPS929120的读者有所帮助。

1.TPS92910简介

TPS929120是TI公司在2019年4月份发布的具有FlexWire接口的12通道汽车级40V高边LED驱动芯片，其主要特点如下：

12路高边精确电流输出通道
- 供电电压4.5V到40V
- 电阻预设电流最高到75mA
- 2bit全局的，6bit独立的电流设置
- 输出电流在5mA到75mA时，精度可达±5%
- 输出电流在1mA时，精度为±10%
- 输出电流50mA时的压降为0.5V
- 12bit独立PWM调光
- 可编程的PWM频率最高可达20kHz
- 支持线性和指数两种调光方式
FlexWire控制接口
- 最高1MHz的时钟频率
- FlexWire总线最多可挂16个器件
- 一帧命令最多可以传输8字节的寄存器数据
- 内部集成5V LDO可以给CAN收发器供电
诊断和保护功能
- 可编程的fail-safe状态
- LED开路检测
- LED短路检测
- 单颗LED短路诊断
- 可编程的欠压检测
- 开漏模式的ERR引脚，可以通知主机是否发生故障
- 用于判断FlexWire通信是否正常的看门狗和CRC校验
- 用于引脚电压测量的8bit的ADC
- 过温保护

2.硬件调试平台

笔者用来调试TPS929120所制作的DEMO板，整体框图如下：

DEMO板分为驱动板和灯板两部分，接近客户的实际使用情况。其中，

驱动板上面主要是给灯板供电的DCDC，给S32K和TJA1044供电的LDO；
灯板上面主要是灯驱TPS929120和LED灯驱；
驱动板和灯板之间通过差分总线进行通信，抗干扰能力相比传统的I2C，SPI提高很多；
由于给灯板供电只有6.5V，所以TPS929120的整体功耗相比正常的12V供电系统能降低不少。

另外，该Demo板也预留了MCU的UART引脚作为测试点，方便查看S32K144和TPS929120的通信数据，从而在调试时更快的锁定问题。

2.1 灯板原理图

灯板原理图参考如下官方demo板进行设计：

2.2 参考电流

参考电流计算公式如下，其中Vref为1.235V（数据手册典型值），Kref默认值为512(可以通过修改寄存器CONF_MISC1中的CONF_REFRANGE进行调整）。

根据查表，此电路中TPS929120默认的参考电流为50mA（灯板上TPS929120贴的REF电阻为12.4K，计算值为51mA）。

2.3 器件地址

TPS929120可以使用外部地址，也可以使用内部EEPROM预烧写的地址，此次DEMO使用外部地址。两片TPS929120的ADDR0，ADDR1，ADDR2引脚电压分别为000,100；根据下面的器件地址设置表格可以知道（EEP_DEVADDR[3:0]的默认值为0000b），两片TPS929120的地址分别为0和1。

3.TPS929120通信协议

TPS929120使用的通信方式，TI称之为FlexWire，其实就是UART（数据链路层）+CAN物理层，然后在传输层增加一些自定义的帧格式，目前其他厂家新出的多通道LED Driver基本都是采用这种通信方式。

3.1 物理层

FlexWire的物理层使用CAN收发器，主要的作用就是将普通的串行信号转换成差分信号（时序图如下），比较常用的有TJA1044，TCAN1042等。

3.2 数据链路层

FlexWire的数据链路层使用的是UART通信，因为TPS929120内部的时钟最高为1MHz，为了通信稳定，所以MCU内部的UART配置的波特率为500K；其它配置为8bit数据位，无奇偶校验，1bit停止位。

3.3 传输层

2.3.1 读写时序

主机向TPS929120写数据：
主机从TPS929120读数据：

需要注意的是，如果加了CAN收发器，由于CAN收发器自带的回环功能，实际上主机也会收到他自身发的数据，所以实际主机收到的数据应该是自身发的数据+TPS929120响应的数据。

当一次性写8个寄存器数据时，MCU的UART_RX收到的数据最多，为MCU发出的12字节+2字节

2.3.2 帧格式说明

总体格式如下：
其中DEV_ADDR的组成元素较多，如下所示，其他都是单一元素组成。

2.3.3 寄存器lock与unlock

配置其他寄存器之前需要先配置CONF_LOCK Register（61h）进行解锁，主要是如下四个4bit，这4个bit上电之后默认为1，处于lock状态，需要清0进行unlock。

这4个bit分别能够lock与unlock的寄存器如下图：

2.3.4 输出通道控制

CONF_EN0（50h）,CONF_EN1（51h）分别控制通道0-7，8-11的使能；默认值为0h。
IOUT0（00h）到IOUT11（0Bh）分别通道0到11的电流，一共64-step，实际的通道输出电流的计算公式如下，其中此电路板的I(FULL_RANGE)为50mA；这些寄存器在reset之后加载对应的EEPROM中EEPIx寄存器的值，EEPIx默认为3Fh。
PWM0（20h）到PWM11（2Bh），PMWL0（40h）到PWML11（4Bh）都是控制通道0到11的PWM占空比，前者用于粗调，后者用于微调，计算公式如下；前者在reset之后加载对应的EEPROM中EEPPx寄存器的值，为FFh，后者的默认值为Fh。

根据上面的分析，如果只配置通道使能，其他寄存器不设置，使能的通道会输出50mA的电流。

TPS929120在配置通道使能的情况下，即使配置PWM占空比为0，也会有微亮的情况。

4.使用S32K144驱动TPS92910

接下来，将基于S32K144介绍如何使用MCU驱动TPS929120，实现一些基本的灯光控制功能。

4.1 实现命令帧格式

4.1.1 写寄存器的帧格式

写寄存器的帧格式如2.3.2章节所述，先发SYNC（0x55），然后是DEV_ADDR(由4种元素组成)，然后是REG_ADDR(数据手册种寄存器的地址)，然后是DATA（要写入寄存器的数据），最后是CRC。

整体实现代码如下：

void FlexWrite(uint8_t DEV_ADDR_x, uint8_t registerAddr, uint8_t DATA_BYTES[], uint8_t DATA_LENGTH_x, uint16_t checkResponse)
{
    uint8_t DEV_ADDR=0x00, REG_ADDR;
    uint8_t commandFrame[12] = {0};// one longest command frame length is 12
    uint8_t dataLength=0, frameLength=0, responseLength = 0;
    uint16_t i;

    DEV_ADDR = (FLEX_Write | DATA_LENGTH_x | DEV_ADDR_x);
    REG_ADDR = registerAddr;

    commandFrame[0] = 0x55; //SYNC byte
    commandFrame[1] = DEV_ADDR;
    commandFrame[2] = REG_ADDR;

    switch (DATA_LENGTH_x)
    {
    case 0:
        {
            dataLength = 1;
            break;
        }
    case 16:
        {
            dataLength = 2;
            break;
        }
    case 32:
        {
            dataLength = 4;
            break;
        }
    case 48:
        {
            dataLength = 8;
            break;
        }
    default : break;
    }

    for(i=0;i<dataLength;i++)
    {
        commandFrame[i+3] = DATA_BYTES[i];
    }

    commandFrame[i+3] = CRC_LUT(commandFrame+1,i+2); //calculate CRC of all the command frame bytes
    frameLength = i+4; //store the entire command frame byte length
    responseLength=frameLength+2;
    
    uartWrite(commandFrame, frameLength, checkResponse, responseLength); //data will be stored in responseData[]
}

有关TPS929120的CRC算法，可以参考之前的文章：

TPS929120的CRC校验的三种实现方法 (qq.com)

4.1.1 读寄存器的帧格式

读寄存器的帧格式和写寄存器的帧格式相近，这里就不赘述了。

4.2 实现Uart串口收发

硬件上使用LPUART1模块，引脚选择PTC8和PTC9，软件配置为波特率500K，8N1。同时，因为使用了CAN收发器，所以串口实际接收到的数据是发送的数据加上TPS929120响应的数据。

整体实现代码如下：

/*********************************************************************************************************
** Function name:       uartWrite
** Descriptions:        N/A
** input parameters:    N/A
** output parameters:   N/A
** Returned value:      N/A
*********************************************************************************************************/
void uartWrite(uint8_t commandFrame[], uint16_t frameLength, uint16_t checkResponse, uint16_t responseLength)
{
    uint8_t i =0;

    /* Enable  the receiver and receive data full interrupt of LPUART1*/
    LPUART_DRV_ReceiveData(INST_LPUART1, responseData, 1u);
    /* The function does not return until the transmit is complete or timeout(2ms) occured*/
    LPUART_DRV_SendDataBlocking(INST_LPUART1, commandFrame, frameLength, 2);
    if(checkResponse == TRUE)
    {
        /* launch timer and set wait time = 2000us
	       * This time should be larger than the time to receive all the response bytes,
	       * And the response receiving time depends on the buard rate and the number of response byte,
	       * For example, baurd rate = 500000, 2 response byte, so the wait time should be larger than 2*10*1/500000 = 40us
	       * Why 2*10 because for each byte there are additional 1 start bit and 1 stop bit
	       */
        timeOut(2000);
	
        /* received all response byte or the wait time exceeds the specified time */
        while(!((timeOutFlag == 1) || (receiveByteNum == responseLength)));

        /*Take some action when successfully received response*/
        if(receiveByteNum == responseLength)
        {
            /* Turn off Red LED and turn on Green LED*/
            PINS_DRV_WritePin(LED_PORT, RED_LED, 1);
            PINS_DRV_TogglePins(LED_PORT, 1<<GREEN_LED);
        }
        /* You can take some action once the response has not been received */
        else
        {
            /* Toggle Red LED and turn off Green LED */
            PINS_DRV_TogglePins(LED_PORT, 1<<RED_LED);
            PINS_DRV_WritePin(LED_PORT, GREEN_LED, 1);
        }

        /* Clear data sent */
        for(i=0; i<frameLength; i++)
        {
            commandFrame[i] = 0x00;
        }
        /* Clear response data*/
        for(i=0; i<responseLength; i++)
        {
            responseData[i] = 0x00;
        }
        /* reset number of response data*/
        receiveByteNum = 0;

        /* Disable the receiver and receive data full interrupt of LPUART1 */
        LPUART_DRV_AbortReceivingData(INST_LPUART1);
    }
}

/*********************************************************************************************************
** Function name:       Lpuart1RxCallback
** Descriptions:        N/A
** input parameters:    N/A
** output parameters:   N/A
** Returned value:      N/A
*********************************************************************************************************/
void Lpuart1RxCallback(void *driverState, uart_event_t event, void *userData)
{
    /* Unused parameters */
    (void)driverState;
    (void)userData;

    /* Check the event type */
    if (event == UART_EVENT_RX_FULL)
    {
        /* Update the buffer index and the rx buffer */
    	receiveByteNum++;
    	LPUART_DRV_SetRxBuffer(INST_LPUART1, &responseData[receiveByteNum], 1U);

    }
}

4.3 实现基本的控制功能

4.3.1 操作TPS92910的基本函数

实现写寄存器的函数之后，就可以基于该函数实现一些基本的操作TPS929120函数了，主要是如下几个：

如下代码中包含了很多寄存器的宏定义，没有进行展开，读者可以借助数据手册进行对比。

unlock与lock寄存器的函数实现如下：
清除错误状态和标志的函数实现如下：
配置通道电流的函数实现如下：
打开通道的函数实现如下：
关闭通道的函数实现如下：
配置通道的PWM占空比的函数实现如下：

4.3.1 TPS929120控制流程

实现了上述基本控制函数之后，接下来就是控制TPS929120实现基本的灯效了。

首先需要对TPS92910进行初始化，主要流程参考如下代码:

然后就是在主循环中实现灯效，这里以呼吸效果为例，代码如下:

下面代码在测试TPS92910竞品更改过，PWM占空比为0时仍有漏电流的问题被修复了。如果驱动TPS929120，建议在PWM占空比到0时，增加关闭通道的操作。

5.参考资料

[FAQ] Design an Automotive Animation Lighting with TPS929120-Q1 within 5min - Power management forum - Power management - TI E2E support forums
具有 FlexWire 接口的 TPS929120-Q1 12 通道汽车 40V 高侧 LED 驱动器数据表 (Rev. B) (ti.com.cn)