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Type-C PD快充基础讲解 + 实例（开源）_ch543

作者：小小林熬夜学编程 | 2024-03-02 04:54:31

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ch543

现阶段快充的技术应用非常广泛，快充适配器在我们身边也随处可见，那快充是如何实现的呢？是不是有很多小伙伴存在这类的疑惑。那我们今天就一起来会会它，看一看快充是不是如我们想的那般神秘。
另外，我们身边有各种各样的受电设备需要不同的功率充电或运作，这时候往往需要对应着功率来配置一个适配器。那如果我们能随心所欲的去“控制”快充适配器输出对应的电压，不就能用一个快充适配器来满足不同功率设备的供电吗？这样一来就能解决原装适配器带来的限制，不再为原装适配器的丢失以及损坏而烦恼。
　并且将快充的技术应用在产品中，可以摆脱设备充电时效率慢及时间长的难题，也可以满足无电池设备的功率问题。那下文我将针对最近比较流行的USB PD快充进行讲解，并演示如何控制适配器输出不同的电压。
   下面我先会简易的讲解一下PD通讯过程，有兴趣想要深入了解USB PD协议的小伙伴可以到 www.usb.org 下载PD协议相关手册。
1、首先来了解PD通讯数据的基本结构：Preamble + SOP + Message + CRC + EOP。如下图：
(1) Preamble：64bit连续的0/1数据的前导码（0开头，1结尾，频率303kHZ左右）。
(2) SOP：同步码1/2/3组成（包含类型：SOP，SOP`,SOP``），告知是在与Cable/Sink通讯。
(3) Message：Header + Object 用于传递命令、请求、响应。
(4) CRC：CRC-32 用于对消息的校验。
(5) EOP：“01101”用于作为结束标志。

2、PD通讯数据的基本结构我们了解了，那么PD通讯物理层是如何收发消息的呢？废话就不多说了，接下来我将会从接受／发送两部分进行讲解。
　　先来说下如何发送消息，首先将数据Data和校验码CRC进行4b5b编码后通过BMC发送到CC线上，这就完成PD消息的发送，是不是很简单，也没那么神秘吧！如下图：


 

 至于接收消息刚好和发送消息反过来，当检测到CC上有消息到来时，物理层会通过BMC进行接收，然后检查SOP类型，最后进行4b5b解码，将会得到数据Data和CRC校验码。如下图：

3、讲到这里应该有小伙伴开始对4b5b编解码、BMC编解码很疑惑吧？其实 4b5b是PD通讯规定的数据手段，这样能有效的避免数据在传输时造成传输错误。BMC编解码则是在数据4b5b转换的基础上进行电平的翻转（0不变，1翻转）。那么数据是如何进行4b5b转换呢？USB PD手册中给出了解答，如下图：

通过上述简易的分析，可以了解USB PD收发消息的基本概念，能得出PD通讯是需要基于一些硬性条件，比如：需要4b5b编解码、BMC发送、消息校验等。至于博主为什么会在众多单片机产品中选择CH543而不是其它单片机呢？是因为 CH543内置了USB PD收发器PHY和USB Power Delivery控制器，另外PD通讯时是可以自动BMC编解码、4B5B编解码、CRC校验。这样一来不仅能大量的节约代码空间，还能减轻工程带来的难度（嘿嘿，因为不用进行4B5B转码，不用CRC校验，也不用编写前导包。这些都好折磨人，现在可就轻松了不少）。

  并且CH543是利用USB PD中断来处理PD消息，这一功能是很多单片机不具备的，一般的单片机是通过在while(1)循环中采用查询的方式进行收发消息，这样不仅大量的占用主函数代码空间，同时还会造成代码阅读上不必要的困扰，这样对比一下CH543还是蛮香的。 

接下来进入主题了，来看下硬件方面的设计吧，在硬件方面使用了CH543主控MCU的两个引脚（P10：CC1和P11：CC2），就可以轻松实现PD Sink端（是不是觉得不可思议），工程使用的demo板是从www.wch.cn那里申请，有兴趣的小伙伴可以去看看。硬件原理图如下：

 现在就来看下效果：

 硬件方面讲完了，下面来看一下软件方面的处理，我这次编写的是PD Sink受电端，有兴趣的小伙伴可以根据PD快充通讯具体流程（如下图），反推出写出Source供电端（可以做个简易版的适配器）。另外还可以查阅PD 相关资料进行拓展编写VDM、PPS消息等。本文代码将会在文章最后打包奉上（包含：Source、Sink、VDM）。

我本次编写的是受电端Sink，由上图可以知道PD快充的基本操作流程，那么我只需要在合适的场景下及时回复Good CRC和Request，就能完成USB PD通讯。在消息处理上，我是根据CH543 USB PD中断的特点来进行相应消息处理，软件如下：

  1. void PD_PHY_ISR(void) interrupt INT_NO_USBPD using 1
  2. {
  3. 	if ( PIF_RX_RST ) {/*接收到复位信息中断*/
  4. 		printf("RST ");
  5. 		PD_PHY_HRST_ISR();		//收到HRST
  6. 		PD_PHY_RX_INIT();
  7. 	}
  8. 	if ( PIF_RX_ACT ){/*数据包接受完成中断*/
  9. 	    TR0 = 0;  ET0 = 0; 
  10. 			PIF_RX_ACT = 0;
  11. 		if ( (UPD_INT_FG & MASK_PD_STAT) == PD_RX_SOP0 ) {	//收到HRST或SOP数据		
  12. 			Union_Header = (_Union_Header *)PD_RX_BUF;    //强制转化			
  13. 					if ( PD_PHY_STAT.WaitingGoodCRC ) {	  //是否在等待GoodCRC
  14. 					  if(Union_Header->HeaderStruct.MsgType == GoodCRC){
  15. 							PD_PHY_STAT.WaitingGoodCRC = 0;	  	
  16. 							if(PD_PHY_STAT.SendingRequest == 1){ PD_PHY_STAT.SendingRequest = 0;}	
  17. 							Send_Count = 0;
  18. 							PD_PROT_ISR();      					
  19. 				}
  20. 			}else {		
  21. 					switch(Union_Header->HeaderStruct.MsgType)
  22. 					{
  23. 						case SourceCap:
  24. 								 NDORcv=Union_Header->HeaderStruct.NDO;
  25. 							   memcpy(PD_Source,PD_RX_BUF,30);
  26. 								 PD_PHY_STAT.SendingRequest = 1;
  27. 								 break;
  28. 						case Request:
  29. 								 break;
  30. 						case Accept:
  31. 							   MsgID ++;
  32. 								 break;
  33. 						case Reject:
  34. 								 break;
  35. 						case PS_RDY:
  36. 								 break;
  37. 						case GetSrcCap:
  38. 							    MsgID++;
  39. 							   PD_PHY_STAT.SendingSourceCap = 1;
  40. 						     break;
  41. 						case GetSinkCap:
  42. 								 MsgID++;
  43. 								 PD_PHY_STAT.SendingSinkCap = 1;	  
  44. 								 break;
  45. 					  case SourceCap_VDM:
  46. 								 break;	
  47. 						default :
  48. 						break;	
  49. 					}
  50. 						mDelayuS(25);
  51. 					  PD_PHY_STAT.SendingGoodCRC = 1;	//置发送GoodCRC标志位
  52. 						PD_PHY_TX_GoodCRC();				//回复GoodCRC	
  53. 			}	
  54. 	}else PD_PHY_RX_INIT();
  55. }
  56. 	if ( PIF_TX_END ) {		/*数据包发送完成中断 */
  57. 	  	PIF_TX_END = 0;
  58. 			if(CCSel == 1){  //发送完成关闭低压
  59. 				CC1_CTRL &= ~bCC_LVO;	
  60. 			}else if(CCSel == 2){
  61. 			 CC2_CTRL &= ~bCC_LVO;	
  62. 			}	    
  63. 		if ( PD_PHY_STAT.SendingGoodCRC ==1 ) {                       
  64. 			PD_PHY_STAT.SendingGoodCRC = 0;
  65. 			PD_PROT_ISR(); //GoodCRC发送完成，向Prot转交数据
  66. 		}else {			/*开始接收GoodCRC*/
  67. 					PD_PHY_STAT.WaitingGoodCRC = 1;	
  68. 					   mTimer_x_SetData(10000);    //5ms
  69. 					PD_PHY_RX_INIT();
  70. 		}
  71. 	}
  72. }

 因为作为Sink端请求电压是最为重要的，那么该如何来请求电压呢？里面将会涉及到怎样的知识点？下图就详细讲解了PD Request数据各个位的作用。有兴趣的小伙伴可以查阅USB PD协议对应着理解。

根据上图提示，进行软件编写Request，因为Request包含一个请求项Data Object，所以NDO固定为1（表示Header之后有几个字节的数据）。
   Message ID是根据消息次序来决定（一般Sink发送Request为起始0，后续Sink发送时ID自动加一，回复Good CRC除外），Message ID最大为7，若超过则从0重新计数。
PorPwrRole表示电源角色，Source为1，Sink为0。
Rev2表示PD的版本信息，0x01表示PD2.0,0x10表示PD3.0。
   PortDataRole表示数据角色，根据需求来填写主从，1表示主，0表示从。
   MessageType表示此项内容是什么类型数据，0x02表示Request，0x01表示GoodCRC。
   Objpos 表示请求SourceCap档位中的第几项，1：第一项、2：第二项、、、、
   Capability Mismatch表示能力不匹配，0：匹配，1：不匹配。
   USB Communications 表示USB通讯能力，按需求配置。
   No USB Suspend 表示没有USB挂起，0：有USB挂起，0：没有USB挂起。
   Unchunked Extended Message 未分块的扩展信息。
   Operation Current in 10mA units表示请求电压的电流大小。
   Max Operation Current in 10mA units表示最大承受电流。
 下面是用CH543编写Request的代码：

  1. void PD_PHY_TX_Request(void)
  2. {
  3. 	UINT16 Volt_Value;
  4.   UINT8 temp=0xff;  //pdo 档位
  5. 	UINT8 i;
  6. 	UINT16 Temp;
  7. 	UINT16 Data_H8;
  8. 	UINT16 Cur_Temp = 0; 
  9. 	
  10. 	for (i=0;i!=NDORcv;i++) 
  11. 	{
  12. 			Union_SrcCap = (_Union_SrcCap *)&PD_Source[2+(4*i)];  
  13. 			Data_H8 = (Union_SrcCap->SrcCapStruct.DataH8);
  14. 			if((Data_H8 >> 6 ) == 3)
  15. 			{
  16. 					PPS_Flag = 1;
  17. 					printf("\r %d is PPS\n",(UINT16)(i+1));
  18. 			}else{
  19. 							Temp = (PD_Source[3+(i<<2)] >> 2)+((PD_Source[4+(i<<2)] & 0x0F)<<6);
  20. 							Temp*=50;
  21. 							if (Temp <= Volt_Value ) 
  22. 							{
  23. 								if(Temp > Cur_Temp) 
  24. 								{
  25. 									Cur_Temp = Temp;
  26. 									temp = i+1;
  27. 								}
  28. 							}
  29. 			 }
  30. 	}
  31. 	if(Temp_PDO != temp )
  32. 	{
  33. 		printf("No requested voltage! \r\n");
  34. 		printf("Request adjacent voltage! \r\n");
  35. 	}
  36. 	if(temp != 0xff)
  37. 	{
  38. 			UPD_T_SOP = UPD_SOP0;
  39. 			UPD_T_LEN = 6;
  40. 			PD_TX_BUF[5] =( (temp<<4) | 0x02);
  41. 			PD_TX_BUF[4] = ((PD_Source[3+((temp - 1)<<2)]&0x03)<<2) |(PD_Source[2+((temp - 1)<<2)]>>6) | (PD_Source[4+((temp - 1)<<2)] &0xF0);
  42. 			PD_TX_BUF[3] =(PD_Source[3+((temp - 1)<<2)]&0x03) | (PD_Source[2+((temp - 1)<<2)]<<2);
  43. 			PD_TX_BUF[2] = PD_Source[2+((temp - 1)<<2)];
  44. 			PD_TX_BUF[1] = (0x10 | (MsgID << 1));
  45. 			PD_TX_BUF[0] =0x02 | (0xC0 & PD_Source[0]);
  46. 			PD_PHY_TX_INIT();
  47. 	}else{	
  48. 	  printf("No Matched Volt.\r\n");
  49. 	}
  50. }

 相信很多小伙伴都有发现PD进行充电时，充电电压并不是一直保持不变的，而是可以动态切换请求电压，那是如何进行动态切换的呢？动态请求电压会出现什么样的现象？针对这一个疑惑，我就利用IO中断来对请求的档位进行加减，实现这样现象。软件代码如下：

  1. 	if(Gears_Plus == 1)
  2. 	{
  3.      if(P1_5 == 1)
  4. 		 {
  5. 			 PD_Request_Gears += 1;
  6. 			 Gears_Plus = 0;
  7. 		 }
  8. 		if(PD_Request_Gears>5)	
  9. 		 {
  10.       PD_Request_Gears = 1;
  11. 		 }			
  12. 	}
  13. 	if(Gears_Sub == 1)
  14. 	{
  15. 		 if(P1_4 == 1)
  16. 		 {
  17. 			 PD_Request_Gears -= 1;
  18. 			 Gears_Sub = 0;
  19. 		 }
  20.      if(PD_Request_Gears<1)	
  21. 		 {
  22.       PD_Request_Gears = 5;
  23. 		 }			 
  24. 	}

 通过验证动态请求电压是可行的（如下图），这样的话各位小伙伴可以利用快充适配器来得到一个动态电压（5V、9V、12V、15V、20V），提供给不同的用电设备使用，也可以将USB PD快充的技术应用到自己的产品中，不就能摆脱了传统充电时间长和功率小的问题了嘛！

至此PD Sink端的应用就要告一段落了，附件是硬件、软件资料，小伙伴们可以按需下载。

PD快充也没那么神秘（开源资料） - 单片机论坛,单片机技术交流论坛 - 21ic电子技术开发论坛

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