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《T5L芯片做主控的可调功率LED电源软硬件设计方案》
对于一个软件开发工程师来讲，需要一块好的PCB开发板，无奈官网开发板存在许多不如意的问题。而大部分软件工程师是没硬件设计能力的，今天我来教大家如何设计一款好的PCB。 首先制定一个设计目标：
1、支持TYPE C 可以直接很方便的连接到PC机，进行调试和烧录程序。
2、支持WIFI，Buletooth 等无线连接。
3、支持高速OS核接口，16bit并口。
4、支持UI核PWM口，AD口引出可以做低成本应用设计，无需增加额外MCU。
5、支持T5L更高频率运行，更稳定AD模拟采样误差。
6、支持宽DC电压宽范围输入, 5~12V，更加宽的使用范围。
我先用一块3.5寸屏来做设计。 上图。
作为MCU核心，内部所有逻辑供电都是连接在供电端，为此芯片四周有分布试电源供电PIN脚，当MCU内部电路高速运行时，会在供电PIN脚产生高频电流，因此供电退耦电容必须最短距离连接，把高频电流限制在VCC到退耦电容之间。但很多硬件工程师不懂得这个原因，退耦电容位置远离MCU供电PIN脚，导致MCU频率一上去就发生各种不明原因的死机。按下面PCB布线 MCU工作频率可以上到600MHz，由于官方布线的不合理导致内核底层频率限制在250MHz，现在从新布线后只要内核频率修改到T5L极限频率就能上去。MCU底部有足够的散热，也解决了MCU散热问题。之前单纯的替换晶振频率11M改到18M测试过非常稳定。
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1、MCU 逻辑供电3.3V：C18, C26, C27, C28, C29, C31, C32, C33 为MCU3.3V供电，MCU管脚逻辑是对外通讯的供电是3.3V，因此3.3V引脚有非常大的高频电流，需要足够的低阻抗退偶电容，看看电脑CUP底部也有很多电容直接贴在CUP基板上就是这个原因，能最低阻抗给引脚提高瞬间能量。
2、MCU 内核供电1.25V： C23, C24 为MCU内核供电， 内核电压很低，并且运行基本上是接近正弦波电流，我排了2颗电容进去足够了。
3、MCU 模拟供电3.3V： 一颗C35, 模拟工作时不会有跳变电流，就一颗退偶电容足够但不能省去，在排版时，内核1.25V地和逻辑逻辑地可以并在一起，但模拟地必须分开，模拟地要和数字地在LDO的输出大电容负极汇集，模拟正极也要在LDO大电容正极汇集，这样AD采样噪声才能得到最低。
AD模拟信号采集电路：
AD模拟输入需要一颗输入滤波电容CP1，MCU内部AD采样打开时，会有一个冲击电流流进AD引脚对AD内部的采保电容充电，还需滤波电容到AD采保通路的电感要保持足够小，如果滤波电容到AD引脚路径太长，那么在采保电容充电时会有一个过冲电压，当AD采样开关关闭时采保电容的电压不一定是滤波电容上的电压，因此造成采样误差，前面讲到MCU的模拟地和数字地独立分可，那么CP1的负极必须要最小阻抗连接到MCU模拟地。在这里顺便提一下晶振供电也是模拟供电的，几乎99%工程师都认为晶振是数字供电，那么问题就来了，数字供电端一定存在很大的脉动电流会使晶振造成频抖问题，比如通讯时钟眼图混乱，AD采样噪声白噪声等这里不详细讲了。晶振输出是正弦波，没有快速上升或下降的沿。而且信号幅度也就200~300mV，晶振的2颗并联电容是要接到MCU模拟地的，所以晶振地接到模拟地是不会对模拟电路造成影响。
蜂鸣器电路：
C25为蜂鸣器供电电容，这个电容是不能省，蜂鸣器是个电感器件，在工作时会有尖峰电流，官方PCB板蜂鸣器电路把供电电容省了，因此会有很强的尖峰电流出现，为了降低这个尖峰，把蜂鸣器MOS驱动电流调小，使MOS管工作在线性区域。看是降低了蜂鸣器的干扰，实际上MOS会有放大倍数离散性是非常大的，强烈的干扰导致AD采样误差，这是个错误的设计。MOS本身就是工作在开关状态，设计电路就得让他工作在开关模式。我就5个元器件完成蜂鸣器电路设计，是不会有任何尖峰干扰，也没有元器件离散性问题。注意R18是并联在蜂鸣器两端，这是调接蜂鸣器声音品质的，可以使蜂鸣器声音清脆悦耳。
WIFI电路：
WIFI芯片采样ESP32-C，官方用的是ESP8266，功能微弱。ESP32-C带WIFI+Bluetooth+BLE, 功能强大，ESP32-C价格和ESP8266接近，何必再用8266。我们来看布线原则，首先WIFI是属于射频器件，射频功率发射时消耗功率比MCU还要大，因此射频功率地必须严格和信号地分可。看上图2，上半部敷铜是功率地回路，WIFI天线反射地回路必须要大面积到功率地，功率地的汇集点是在C6负极，不然WIFI信号减弱甚至没法收发数据。功率地和WIFI天线之间要提供反射电流，也就是WIFI天线下边必须要有敷铜，并且敷铜要长度要超过WIFI天线延伸长度，延伸长点会是WIFI灵敏度增加。下半部敷铜作为信号地，汇集点在C2负极。也要做大面积敷铜可以屏蔽WIFI天线辐射带来的噪声。2个敷铜地在底层是分可的，通过过孔汇集到ESP32-C中间焊盘。射频功率地需要比信号地回路更低的阻抗，因此功率地到芯片焊盘有6个过孔，保证足够低的阻抗。晶振地回路不能有射频功率地流过，不然晶振产生频抖，WIFI频率偏移无法收发数据了。这个前面讲过了晶振频抖带来的问题。
背光LED供电电路：LCM液晶背光是用LED照明的，为了让LED亮度一致性，寿命，排线电流问题，通常会把LED串联。背光供电实际就是DC/DC升压，官方用T5L做数字DC/DC控制，我认为是一个错误设计。
1、数字电源设计必须要高速的AD采样，高速PWM占空比更新，高速更新也必须要高速PID运算。想想这会占用多大的MCU资源，而且一旦MCU死机，那么PWM不再更新，如果刚好是PID占空比调到最大状态，那LED会过流而烧毁，其次当负载LED开路时，由于没有过压保护控制，那么带来不可控的升压，直到电路损坏。
2、DC/DC恒流控制是采样LED电流，这个采样基准电压不能很低，由于AD基准是3.3V, 需要保证采样精度，也不能太大，会增加采样功耗，现在来看看AD采样噪声，DC/DC地线回路接到MCU模拟地。LED工作时地线电流就得会叠加到模拟地到LDO地之间。也就是说MCU模拟地和数字地之间存在LED的DC/DC工作电流三角波。这带来的AD采样噪声可想而知的。如果是接到数字地，那么数字地会有高频尖峰电压，这个电压会叠加到AD采样端。如果是接到LDO供电地，那么MCU模拟地和LDO地直接会有压差就会造成电流采样直流误差。
3、官方认为是降低成本，想想一颗SOT23 MOS也要0.2~0.3，PWM2输出直接到MOS上，MOS的 Cgs至少有500pF, 那么PWM2输出得有多大的冲击噪声带进MCU, PWM口是数字供电的，进过MOS后回路是进数字地呢还是模拟地，如果是数字地呢，那么电流的AD采样就有问题了，如果是进模拟地呢，那么PWM2数字信号回路就到模拟地了，导致整个信号回路混乱。
基与以上原因，我采样一颗专用的LED驱动芯片，SOT23-6封装价格也就0.3，而且这种驱动芯片型号很多，容易购买，嘉立创就有，DC/DC 给LED供电可以独立构成回路，DC/DC的地接到3.3V LOD地，既不影响MCU数字地，也不影响MCU模拟地。由于PWM2口内核已经做专用化了，输出600K的PWM信号，我只能加了一个RC把PWM输出当作一个ON/OFF控制。希望厂家内核做一个功能切换，和PWM0, PWM1一样可以自定义PWM, 定义到200Hz~1K调制频率去开环控制背光驱动EN端。无需AD高速采样，无需高频率PID运算和更新PWM。
宽电压输入范围：
之前的迪文屏PCBA大部分是5V，在实际应用中有时会遇到供电线压降很大，5V输出到PCB造成供电不稳定，导致T5L不能正常工作，因此我设计了2个DC/DC降压，对于DC/DC芯片选择也是很关键的，我测试过10来个DC/DC芯片型号总是有很大的尖峰电压，好一点50mV峰峰值，差一点200mV峰峰值，这是DC芯片内部MOS的Irrm巨大引起的。上面这颗型号几乎测试不出来尖峰干扰非常好。要注意DC/DC电路中R13, R17电阻不能省。2个DC/DC芯片是支持最高18V输入的，方便外部供电。（原理图R11=16k，图上26.42k是标错了没改回来，需要参考的朋友注意一下）。
USB TYPE C调试口：
由于TYPE C 可正反插拔，整好利于这点，不同方向插入提供不同的USB设备通讯，正向插入和WIFI芯片ESP32-C通讯，以便给WIFI芯片烧录代码，反向插入和XR21V1410IL16通讯，XR21V1410IL16是USB转串口连接到T5L UART1，以便给T5L烧录代码。同事TYPE C可以支持5V供电，2个CC口接5K电阻，协议上是5V供电设备。还有2个端口A8,B8目前没用到。
并口通讯：之前用迪文屏设计示波表时，发现T5L UART通讯实在太慢了，而且T5L OS核有很多IO口空闲着，刚好利于这点就设计了一款16bit并口通讯。结合ST ARM的FMC并口协议支持同步读写。
LCM RGB高速接口设计：
大部分工程师为了省事，T5L RGB输出直连到LCM RGB，中间没有缓冲电阻，虽然是能工作，但是由于LCM FPC线比较长，如果直连相当于中间串联了一组电感，LCM 芯片接口有输入电容，那么在高速信号跳变沿会有很高的过冲，在LCM接受端会有尖峰电压和震荡波形，这个尖峰电压往往会超过VCC 3.3V电压，会导致液晶水纹波干扰。当进一步加大PCLK频率时，由于端口阻尼震荡和输入波形叠加导致信号错误，不能正常工作了。这时中间加一组排阻，可以降低尖峰电压幅度，也降低震荡，使得波形平滑，LCM水纹波干扰就大大下降了。在布线时尽量降低RGB接口的连线长度，特别是PCLK信号。另外还增加RGB接口测试点，PCLK, HS, VS, DE。 另外屏SPI口是连接到T5L的P2.4~P2.7口，这样做有利于更自由度设计屏驱动。调制屏工作参数使屏性能发挥到极致。同时也把RST, nCS, SDA, SCI测试点引出，有利于底层软件开发。
OS部分编程,底层代码设计：
首先来看一下效果图，无论是颜色搭配还是功能布局满满的科技感。
DGUS II UI设计：
选取数据变量显示控件在界面上电压右边画出一个框，数据变量的描述指针设置0x8000， 数据变量地址设置0x5000， UI核的RAM范围是从0x000~0x7FFF是用于UI显示的。0x8000~0xFFFE是给用户自定义使用的。其中0x0000~0x4FFF是UI接口地址和绘图地址，控件地址最佳是放在0x5000~0x7FFF之间。描述指针最佳是放在0x8000~0xFFFE之间。描述指针是对控件属性的描述，比如显示位置，显示变量指针，字体颜色，字体大小等属性。这个描述指针最好是要定义出来下面讲到怎么使用。KEIL OS 设计:
//---------------------------------DUGS读写格式
typedef struct
{
u16 addr; //UI 16bit变量地址
u8 datLen; //8bit数据长度
u8 *pBuf; //8bit数据指针
} UI_packTypeDef; //DGUS 读写包
//-------------------------------数字显示控件
typedef struct
{
u16 VP;
u16 X;
u16 Y;
u16 Color;
u8 Lib_ID;
u8 FontSize;
u8 Algnment;
u8 IntNum;
u8 DecNum;
u8 Type;
u8 LenUint;
u8 StringUinit[11];
} Number_spTypeDef; //数据变量描述结构体
typedef struct
{
Number_spTypeDef sp; //定义sp描述指针
UI_packTypeDef spPack; //定义sp变量DGUS读写包
UI_packTypeDef vpPack; //定义vp变量DGUS读写包
} Number_HandleTypeDef; //数据变量结构体
有了前面的数据变量handle定义。接下来给电压采样显示定义一个变量。
Number_HandleTypeDef Hsample；
u16 voltage_sample;
首先 执行初始化函数
NumberSP_Init(&Hsample, voltage_sample, 0x8000); //这里的0x8000就是描述指针。
//---------------数据变量显示SP指针结构初始化--------------------------
void NumberSP_Init(Number_HandleTypeDef *number, u8 *value, u16 numberAddr)
{
number->spPack.addr = numberAddr;
number->spPack.datLen = sizeof(number->sp);
number->spPack.pBuf = (u8 *)&number->sp;
Read_Dgus(&number->spPack);
number->vpPack.addr = number->sp.VP;
switch(number->sp.Type) //根据DGUS界面设计的数据变量类型自动选择vp变量的数据长度。
{
case 0:
case 5:
number->vpPack.datLen = 2;
break;
case 1:
case 2:
case 3:
case 6:
number->vpPack.datLen = 4;
case 4:
number->vpPack.datLen = 8;
break;
}
number->vpPack.pBuf = value;
}
通过初始化之后，Hsample.sp 就是电压采样数据变量的描述指针。Hsample.spPack 是OS核通过DGUS接口函数和UI电压采样数据变量通信指针。Hsample.vpPack是改电压采样变数据变量的属性，比如字体颜色等。也是通过DGUS接口函数传递到UI核。Hsample.vpPack.addr 是电压采样数据变量地址已经从初始化函数自动获取了。这是一个非常好的方法，当你在DGUS 界面改变变量地址或者变量数据类型等。无需在OS核同步更新变量地址。OS核心计算出voltage_sample变量后只要执行Write_Dgus(&Hsample.vpPack)函数更新就完事。无需再把voltage_sample打包再DGUS发送（繁琐）。
上面的handleTypDef 结构化的思路是非常好使。这是链接UI和OS的中间桥梁，希望厂家开发出链接库。把所有的空间都封包起来。UI内核更新后链接库也跟着更新。有利于后面工程师快速上手。
另外希望迪文公司 DGUS II软件增加自动变量分配机制。比如指针描述用宏定义，编译以后生成宏文件，在OS核无需再手工定义描述指针宏，当DGUS II描述指针变量自动修改后，OS核也无需手工同步修改。特别对于初学者来讲对控件长度地址不是那么清楚情况下，经常会出现地址重叠出现莫名其妙的显示问题。变量自动分配机制。
LED亮度控制是控制电流PWM的占空比，我在硬件设计上电流PWM定义到PWM0，PWM0的UI接口地址是在0x92，滑动指示控件变量地址就写0x92——代表0x92的数据带给滑动控件指针图标位置显示用。PWM频率设置100K, PWM精度==825.7536MHz/100K = 8257 写到终止变量刻度值。
滑动功能用拖动调节控件，变量地址对应PWM0的变量地址，终止位置对应返回值写PWM精度8257, 意思是滑动条滑动位置按8257比例返回到0x92地址。
今天把屏时钟优化了一下，居然PCLK可以达到20M, 官方提供的CFG文件屏时钟只有10M, 看了一下屏驱动芯片规格书已经达到了最高频率了，这是合理布线的重要性。顺便附上ILI9488规格书。
地址0x13是屏的PCLK时钟分频系数，系统频率206.4384M /分配系数10 = 20.64384M。我把屏的SPI口挂在OS核，这就是带来很很大的好处，可以自己优化屏参数。PCLK比官方默认的10M整整大了一倍，这意味着屏刷新率增大了1倍，播放动画看不到卡顿感。
WIFI部分硬件已经走通，通过TYPE C正向插入连上WIFI部分ESP32芯片USB口，并通过USB口成功下载ESP32-C3官方固件。现在把固件包和刷机工具也附上。感兴趣的童鞋可以尝试一下。
TYPE C支持正反方向插入，刚好利用这一点，反向插入接通XR21V1410 USB转串口芯片，连接T5L UART1, 正向插入连上ESP32-C3 USB 虚拟串口，注意需要打开液晶左上角的power按钮，ESP32 EN端受T5L P3.2口控制。
打开flash_download_tool.exe chip Type 选择 EP32C3 点击OK，进入烧入界面，选择固件，地址0x0， 打勾，START。等待完成，大概1~2分钟。完成后用安信可串口工具可以直接打印log了。
PCB修改为1.1版本，
1、USB转串口芯片XR21V1410IL16 改为CH340N，价格才1块多点，大大降低了BOM成本，同时去掉了UART1和WIFI.UART0 2*8PIN座。(WIFI.UART0和WIFI.USB是一样功能的做ESP32的log打印)
2、ESP32-C3 为了调试AT COMMAND增加了2*4PIN座，
3、贴片电感原先4018封装修改为3015足够了，这有利于今后设计COF屏做小型化。
4、增加了一颗3.6V稳压管保护3.3V系统供电，生产时不小心把3.3V和VCC短路了可以立即烧毁3.6稳压管短路3.3V，来保护T5L不被过压烧掉。
5、屏固定4个椭圆位置固定往左移动了3mm距离，使屏显示区域在PCB板中间。
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附上设计图。后续将会持续更新，敬请关注：
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发表于 2022-2-26 11:31:10
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