德州儀器針對(duì)掃地機(jī)器人系統(tǒng)的解決方案

近年來，掃地機(jī)器人市場快速崛起，越來越多用戶和廠商在關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域。 TI在該應(yīng)用下提供種類豐富的模擬以及嵌入式解決方案，幫忙您快速進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)。掃地機(jī)器人系統(tǒng)可以分為以下幾個(gè)子系統(tǒng)： 電池管理，電源管理，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳感器及信號(hào)調(diào)理，人機(jī)交互界面等部分。

在本系列分享中，將會(huì)依次對(duì)圖中主要子系統(tǒng)進(jìn)行介紹：

第一節(jié) 電池管理

掃地機(jī)器人典型應(yīng)用是四節(jié)鋰電池串聯(lián)使用。電池管理分為電池保護(hù)以及充電管理兩個(gè)部分。如下圖所示， 電池保護(hù)部分一般會(huì)設(shè)計(jì)在電池包里面，針對(duì)電池在各種工況下的異常情況進(jìn)行診斷和保護(hù)。 充電管理會(huì)在掃地機(jī)器人主板上或在充電塢上，負(fù)責(zé)對(duì)鋰電池充電曲線進(jìn)行管理，以實(shí)現(xiàn)高效，安全的充電。

下面分別介紹電池充電管理，電池保護(hù)和電量計(jì)TI相關(guān)的解決方案：

1.1 充電管理

鋰電池為了保證電池安全和壽命，對(duì)于充電過程要求分為四個(gè)階段：涓流充電（低壓預(yù)充）、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。同時(shí)還會(huì)有電池電壓檢測、輸入電流限制、充電完成后關(guān)斷充電器、電池部分放電后自動(dòng)啟動(dòng)充電等功能的要求。這意味著鋰電池的充電需要使用專用電池充電芯片，才能更好的保證電池安全和壽命。TI提供的充電芯片BQ24773可從各方面優(yōu)化充電管理的設(shè)計(jì)和性能：

以上便是BQ24773原理的基本簡介，更多細(xì)節(jié)，請(qǐng)參閱BQ24773數(shù)據(jù)手冊(cè)。

TI提供的專用充電IC能夠給系統(tǒng)提供精準(zhǔn)的充電控制，完備的保護(hù)機(jī)制。對(duì)提升產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化系統(tǒng)成本有非常重要的意義。 專用充電IC的使用，不僅僅能夠給系統(tǒng)帶來更全面和精準(zhǔn)的充電，還能夠提高電池的使用壽命，降低整體的成本。

1.2 電池保護(hù)和電量計(jì)

該功能的實(shí)現(xiàn)有依賴于專用鋰電池保護(hù)IC。 根據(jù)用戶的不同需求，TI可以提供四種不同類型的保護(hù)方案：

以下為重點(diǎn)方案的產(chǎn)品介紹：

1) BQ4050

TI的電量計(jì)技術(shù)在精確測量電池容量、獲取反映電池健康狀況及安全診斷等數(shù)據(jù)的同時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)過壓、過流、溫度保護(hù)和電壓均衡等功能。以上電池信息還能夠通過SMBUS發(fā)送給主機(jī)，通過WIFI等方式連接到用戶終端，方便用戶及時(shí)了解掃地機(jī)器人的電池健康狀況。

德州儀器 (TI) 的 BQ4050 器件采用補(bǔ)償放電終止電壓 (CEDV) 技術(shù)，是一款高度集成的高精度 1-4 節(jié)電池電量測量儀表和保護(hù)解決方案，可實(shí)現(xiàn)自主的充電器控制和電池均衡。

以上便是BQ4050原理的基本特性介紹，更多細(xì)節(jié)請(qǐng)參閱BQ4050數(shù)據(jù)手冊(cè) 和BQ4050技術(shù)參考手冊(cè)。

2) BQ77905

鋰電池在使用的過程中，一旦出現(xiàn)過壓或者過流（短路）等問題，不僅會(huì)影響電池的壽命，更會(huì)帶來安全問題。這意味著所有使用鋰電池的設(shè)備，必須要加裝電池保護(hù)器，以使鋰電池能在一個(gè)相對(duì)安全的環(huán)境中正常工作。

TI提供的BQ77905是3-5 節(jié)超低功耗電壓、電流、溫度和開路可堆疊鋰離子電池保護(hù)器，無需微控制器 (MCU) 控制即可實(shí)現(xiàn)一系列電壓、電流和溫度保護(hù)。該器件正好滿足掃地機(jī)器人產(chǎn)品4S鋰電池的需求，單芯片可實(shí)現(xiàn)過壓，過流，短路，溫度等保護(hù)。

BQ77905還可以支持堆疊使用適應(yīng)更多節(jié)數(shù)，更多細(xì)節(jié)請(qǐng)請(qǐng)參閱BQ77905數(shù)據(jù)手冊(cè) 和更多BQ77905應(yīng)用手冊(cè)。

第二節(jié) 電源管理

掃地機(jī)器人中的電源管理典型的電源軌如下藍(lán)色框圖所示：系統(tǒng)從4串鋰電池取電，經(jīng)過一級(jí)降壓轉(zhuǎn)換為5V，給到外置模塊，部分傳感器以及相關(guān)邏輯電路供電。 5V還會(huì)經(jīng)過二級(jí)降壓轉(zhuǎn)換為后級(jí)系統(tǒng)所需的3.3V, 1.8V等。一級(jí)降壓電路通常功耗較大，會(huì)選擇DCDC變換器。而二級(jí)降壓電路通常功耗較小，可根據(jù)用戶實(shí)際情況選擇LDO或者DCDC。一個(gè)典型的掃地機(jī)器人電源樹如下圖所示。

2.1 降壓型DCDC

通常來講，帶電池設(shè)備為了讓運(yùn)行時(shí)間更長，系統(tǒng)會(huì)對(duì)效率，靜態(tài)功耗等指標(biāo)提出要求。 同時(shí)，成本同樣是非常重要的考慮因素。TI的電源管理產(chǎn)品在性能和成本做到很好的平衡。以下為TI在掃地機(jī)器人產(chǎn)品中最受歡迎的一些物料，耐壓范圍從24V-40V不等，適合用于第一級(jí)降壓電路：

我們以TPS54202舉例說明：

該芯片支持最大輸入28V持續(xù)電壓，適合4串鋰電池的應(yīng)用場合。其同步整流的結(jié)構(gòu)可以保證滿載時(shí)高達(dá)98%的效率，同時(shí)，由于輕載跳頻模式，在輕載情況下可以保證高效，如10mA輸出電流情況下效率可達(dá)90%以上。

2.2 線性穩(wěn)壓LDO

線性穩(wěn)壓相對(duì)于降壓型DCDC變換器而言，其輸出紋波會(huì)更小，噪聲會(huì)更少，有利于掃地機(jī)器人系統(tǒng)中的處理器，MCU，還有部分傳感器的穩(wěn)定運(yùn)行，適合用于第一級(jí)降壓電路。 因此，在輸入輸出壓差不大的情況下，LDO是電源管理方案的優(yōu)選。TI提供業(yè)內(nèi)最為廣泛的LDO產(chǎn)品。在不同的輸入輸出電壓，電流，封裝，壓差，靜態(tài)電流，功耗，噪聲指標(biāo)下，TI都能提供高性價(jià)比的方案。

我們以TLV758P為例子說明：

第三節(jié) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

典型的掃地機(jī)器人產(chǎn)品中有非常多需要用到電機(jī)驅(qū)動(dòng)的場合，如： 左右輪子，主刷，邊刷，水泵，吸塵電機(jī)，LDS旋轉(zhuǎn)座等。 TI針對(duì)不同的電機(jī)類型以及負(fù)載大小有非常全面的產(chǎn)品目錄可供選擇。

以主輪驅(qū)動(dòng)應(yīng)用為例說明：

主輪的電機(jī)通常為12V的直流有刷電機(jī)。 承擔(dān)的前轉(zhuǎn)，后轉(zhuǎn)，里程記錄，堵轉(zhuǎn)檢測等功能。TI的DRV8870有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，配合TI超高性價(jià)比運(yùn)放TLV9061，可以完美實(shí)現(xiàn)以上所有功能。TI同時(shí)還提供實(shí)現(xiàn)該功能的參考設(shè)計(jì)TIDA-01588, 通過注冊(cè)官網(wǎng)myTI，可以免費(fèi)瀏覽，下載該參考設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)文檔，原理圖，測試文檔等源文件。

該參考設(shè)計(jì)基本架構(gòu)如下所示:

如圖所示，系統(tǒng)電源為10.8V DC，跨接一個(gè)TVS保護(hù)，通過DRV8870來驅(qū)動(dòng)有刷電機(jī)BDC。10.8V DC經(jīng)過LDO線性穩(wěn)壓器TPS709給微控制器MSP430FR2433供電，微控制器給DRV8870發(fā)出指令控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人主輪的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，剎車，空擋滑行等功能。同時(shí)DRV8870通過外置采樣電阻，結(jié)合運(yùn)放TLV9061進(jìn)行電流檢測，實(shí)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)檢測等功能。位于電機(jī)上的光電計(jì)數(shù)器或者霍爾傳感器信號(hào)通過ESD接口芯片ESD122反饋到微控制器，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)測試歷程記錄等功能。

更多詳情，請(qǐng)參閱DRV8870數(shù)據(jù)手冊(cè)。

除了該參考設(shè)計(jì)中所推薦的DRV8870外，TI還有以下具有特色的方案值得推薦：DRV8876。以下是款產(chǎn)品的介紹: DRV8876是一款高集成度 H橋驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置N-MOSFET，charge pump，電流采樣轉(zhuǎn)換，以及各類保護(hù)電路。非常適合用于掃地機(jī)器人的主輪驅(qū)動(dòng)，或者主刷驅(qū)動(dòng)。DRV8876最大的亮點(diǎn)在于超高集成度，通過內(nèi)置采樣電路和信號(hào)調(diào)理，實(shí)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)檢測。與傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方案（如DRV8870）相比，可以節(jié)省設(shè)計(jì)者的一顆功率采樣電阻，以及一顆堵轉(zhuǎn)檢測的運(yùn)放。

另外，DRV8876可以通過設(shè)置睡眠模式來保持超低的待機(jī)功耗（<1uA），以保證掃地機(jī)器人電池能最大限度節(jié)能。

更多詳情，請(qǐng)參閱DRV8846數(shù)據(jù)手冊(cè)。

更多TI電機(jī)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品，可以在官網(wǎng)中獲得：http://www.ti.com/motor-drivers/overview.html

第四節(jié) 傳感器及信號(hào)調(diào)理

掃地機(jī)器人作為智能化的小家電產(chǎn)品，傳感器是其最核心的零部件之一。典型需要傳感器實(shí)現(xiàn)的功能包括有：避障傳感，沿墻傳感，懸崖檢測，虛擬墻檢測，碰撞傳感，里程檢測，自動(dòng)回充檢測，視覺傳感及導(dǎo)航等。除此之外，不同產(chǎn)品根據(jù)不同功能也會(huì)有不一樣的傳感器需求，如塵盒/水箱檢測，車輪異常檢測等。

TI提供以下幾類傳感器實(shí)現(xiàn)以上功能：

4.1 霍爾傳感器

霍爾傳感器可用于實(shí)現(xiàn)車輪里程計(jì)，虛擬墻檢測，如塵盒/水箱檢測，車輪異常檢測等功能。

TI的霍爾傳感器有以下特點(diǎn)：

1） 寬泛的輸入耐壓（1.65V-38V）確保通用性，可靠性；

2） 超低待機(jī)功耗（<1uA）利于電池設(shè)備延長使用時(shí)長；

3） 多種帶寬可選(5Hz, 20Hz, 160Hz, 2KHz, 30KHz)

4） 多種封裝可選（SOT-23, TO-92，X2SON）

4.2 1D TOF

1D ToF可用于避障傳感，懸崖檢測，視覺傳感及導(dǎo)航等功能。以下簡單介紹TI 1D TOF器件OPT3101的基本工作原理以及在掃地機(jī)器人上的應(yīng)用。

1) OPT3101基本工作原理以及優(yōu)點(diǎn)

ToF (Time of Flight) 全稱時(shí)間飛行傳感器。ToF 核心系統(tǒng)是由光發(fā)射器 (激光，LED 和IR 等）和光接收器 (光電二極管)組成。發(fā)射器的調(diào)制信號(hào)經(jīng)物體反射后，部分地回到接收器。通過測量發(fā)射光信號(hào)和接收光信號(hào)之間的相位差信息可以獲得被測物體深度(距離) 信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)長距離接近感應(yīng)和距離測量等功能。

2) TI的ToF傳感器 OPT3101具有如下特性和優(yōu)點(diǎn)

遠(yuǎn)距離測距、障礙檢測和躲避，15 米不模糊的范圍內(nèi)具有16 位距離輸出，可通過去混疊技術(shù)擴(kuò)展距離范圍

多種光電二極管和發(fā)射極的靈活定制設(shè)計(jì) (寬波長范圍)

高達(dá)4kHz 的采樣率

出色的環(huán)境光和陽光抑制性能 （室外和室內(nèi)），不依賴于物體顏色和反射率的測距

自適應(yīng)HDR 節(jié)省功耗并提高動(dòng)態(tài)范圍

支持3 個(gè)發(fā)射器通道，滿足多區(qū)域操作需求

集成照明驅(qū)動(dòng)器，具有高達(dá)173mA 的可編程電流控制能力

3) OPT3101在掃地機(jī)器人中的應(yīng)用

利用OPT3101抗干擾性能強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。非常適合在掃地機(jī)器人中實(shí)現(xiàn)主避障檢測功能。與傳統(tǒng)紅外的方式對(duì)比，可以實(shí)現(xiàn)精確距離信號(hào)的檢測，一致性更好，抗光強(qiáng)干擾能力更好。

利用OPT3101不受物體顏色的影響，可以實(shí)現(xiàn)更加可靠的懸崖檢測：

利用OPT3101的特性，還可以構(gòu)成旋轉(zhuǎn)ToF激光雷達(dá)傳感器，實(shí)現(xiàn)二維平面360度全方位激光測距，并產(chǎn)生所在空間的平面點(diǎn)云地圖信息，配合SLAM算法，可以實(shí)現(xiàn)精確的地圖構(gòu)建，定位導(dǎo)航等功能。關(guān)于該功能實(shí)現(xiàn)更多細(xì)節(jié)請(qǐng)聯(lián)系當(dāng)?shù)豑I銷售代表以及技術(shù)支持。

4.3 通用運(yùn)算放大器TLV900X系列

除傳感器本體外，TI提供了傳感器后級(jí)的信號(hào)調(diào)理方案。 掃地機(jī)器人應(yīng)用中典型的需求是通用運(yùn)算放大器。 常見場合是用于電機(jī)電流采樣，電池充電采樣，電池包溫度信號(hào)調(diào)理，紅外傳感器信號(hào)調(diào)理等。TI提供的通用運(yùn)放類型產(chǎn)品可以完全覆蓋以上應(yīng)用場合。以下產(chǎn)品介紹為目前TI主推的高性價(jià)比通用運(yùn)放TLV900X。

TLV900x是適用于成本敏感型系統(tǒng)的低功耗、軌對(duì)軌輸入輸出、1MHz 通用運(yùn)算放大器。TLV900x 系列包括單通道 (TLV9001)、雙通道(TLV9002)、 和四通道 (TLV9004) 低電壓（1.8V 至5.5V）運(yùn)算放大器。具有以下特性：

1) 軌至軌輸入和輸出

2) 低輸入失調(diào)電壓：±0.4mV

3) 單位增益帶寬：1MHz

4) 由于具有電阻式開環(huán)輸出阻抗，因此可在更高的電容負(fù)載 (100pF)下更輕松地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定

5) 低寬帶噪聲：27nV/√Hz @ 1kHz

6) 低輸入偏置電流：5pA

7) 低靜態(tài)電流：60μA/通道

8) 可在電源電壓低至 1.8V 的電壓下運(yùn)行

9) 內(nèi)部射頻干擾 (RFI) 和電磁干擾 (EMI) 濾波器

10) 擴(kuò)展溫度范圍：–40°C 至 +125°C

以上便是通用運(yùn)放TLV900X的基本簡介，更多細(xì)節(jié)，請(qǐng)參閱TLV900X數(shù)據(jù)手冊(cè)。除此之外，對(duì)于帶寬要求更高，擺率要求更高的場合，我們還有TLV906X(帶寬10MHz), TLV905X(擺率15V/us)等系列產(chǎn)品供選擇。

第五節(jié)、人機(jī)交互界面

豐富的人機(jī)交互功能可以給掃地機(jī)器人產(chǎn)品帶來更好的用戶體驗(yàn)和產(chǎn)品附加值。TI在該領(lǐng)域提供諸多解決方案： LED顯示，電容觸摸，語音功放，無線連接等等。接下來以LED顯示以及電容觸摸方案為代表介紹。

5.1 LED顯示

TI的LED產(chǎn)品覆蓋多樣的應(yīng)用場景，包括： 指示燈背光驅(qū)動(dòng)，LED數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)，以及呼吸/跑馬燈。 對(duì)于掃地機(jī)器人產(chǎn)品而言，LED燈通常用于狀態(tài)指示，用戶可以根據(jù)不同的產(chǎn)品需求，選擇不同類型的顯示方式。TI LED驅(qū)動(dòng)芯片帶來的優(yōu)點(diǎn)包括：1） 節(jié)約MCU I/O口。2） 恒流驅(qū)動(dòng)，高效可靠。3）無需大量軟件資源即能實(shí)現(xiàn)特殊燈效。 以下為TI LED產(chǎn)品在掃地機(jī)器人應(yīng)用中的大致分類和推薦：

數(shù)碼管顯示

呼吸燈，跑馬燈，漸變燈，環(huán)形/條形等效果

以LP50XX系列產(chǎn)品舉例說明：LP50XX系列是TI全新一代RGB三色燈驅(qū)動(dòng)，可以在占用MCU極少資源的情況下，實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道RGB三色燈的控制，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)恒流，亮暗，顏色變化，以及圖案組合等效果。該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的燈效能給掃地機(jī)器人帶來與眾不同的人機(jī)交互體驗(yàn)。其開發(fā)的簡易程度，也有利于產(chǎn)品快速上市。

更多詳細(xì)信息可以查看LP50XX規(guī)格書, 更多LED選型可以查看TI官網(wǎng)： LED選型。

5.2 MSP430 Captivate MCU

MSP430 captivate系列MCU是TI最新一代基于電容式的觸摸方案。 有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1） 可靠性： 芯片通過IEC61000-4-X認(rèn)證，可以有效地抵抗噪聲，防止誤觸發(fā)；

2） 通用性：該方案可用于各類材料面板的觸摸（玻璃，塑料，金屬），還能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的手勢(shì)識(shí)別，接近感應(yīng)以及液位檢測。

3） 低功耗：TI Captivate MCU沿襲了TI MCU一貫的超低待機(jī)功耗特性，非常適合電池式產(chǎn)品如掃地機(jī)器人。

4） 高分辨率： 超高分辨率，有利于實(shí)現(xiàn)滑條，滾輪等觸摸效果。

5） 簡易開發(fā)： TI提供完整的圖形化編程界面，只需要5分鐘即可實(shí)現(xiàn)自定義設(shè)計(jì)。

以MSP430FR2522產(chǎn)品舉例說明:

MSP430FR2522的主要參數(shù)指標(biāo)如下所示：

1） 15個(gè)I/O口，其中8個(gè)I/O可用于電容感應(yīng)。

2） 頻率最高支持16Mhz，7KB FRAM存儲(chǔ)空間。

3） 內(nèi)置8個(gè)10bit ADC。

4） 超低待機(jī)功耗：正常運(yùn)行（120uA/MHz）,待機(jī)模式（<4uA）,關(guān)斷模式（36nA）。

5） VQFN，TSSOP封裝可選。

5.3 TI參考設(shè)計(jì)

針對(duì)如上所提兩種人機(jī)交互功能，TI整合并定制了一款參考設(shè)計(jì)TIDA-01559。它采用了 MSP430FR2522 MCU 和 LP5569 LED 驅(qū)動(dòng)器，可通過 LED 引擎控制實(shí)現(xiàn)極低的待機(jī)功耗并減少 MCU 的負(fù)載資源。該解決方案可應(yīng)用于需要具有出色 EMI 性能和抗?jié)裥阅艿牡凸?HMI 的應(yīng)用中，該設(shè)計(jì)可應(yīng)用與掃地機(jī)器人產(chǎn)品中。

該參考設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖和實(shí)物圖如下方所示，可實(shí)現(xiàn)功能包括：

1) 利用MSP430FR2522實(shí)現(xiàn)玻璃/塑料面板觸摸按鍵，以及接近喚醒。

2) 利用LP5569實(shí)現(xiàn)RGB三色燈環(huán)的特殊效果（呼吸，閃爍，漸變等）

3) 利用LP5569配合MSP430FR2522實(shí)現(xiàn)LED閃爍與手觸摸成隨動(dòng)效果。

審核編輯：郭婷