1、充电、供电电路
键盘上的充电电路原理图
数据手册中的原理图
其中与TP5400 3脚(PROG)连接的电阻用来设置充电电流大小。
电阻大小与充电电流的关系：
充电指示灯显示状态
TP5400的 1 脚(Vout)只有5V/1A的输出能力。
在设计电路的时候之间将5V输出用来给键盘供电，由于输出功率原因，只能限制了WS2812灯珠的显示亮度。
WS2812灯珠的亮度限制在 keyboard.h 的第185~188行定义
#define LIGHT_BRGIGHTNESS_MAX 4 //亮度放大倍数
#define LIGHT_R_MAX 10 //R值最大值 用来限定电流大小
#define LIGHT_G_MAX 10 //G值最大值 用来限定电流大小
#define LIGHT_B_MAX 10 //B值最大值 用来限定电流大小
2、电量检测电路
键盘上的电量检测电路原理图
电量检测使用ESP32的GPI/O 35引脚，若要更改请选择GPI/O号大于30的引脚。
电量检测引脚在 keyboard.h 的第176行定义
#define BAT_PIN 35 //电量检测引脚
因为ADC驱动器API支持ADC1(8个通道，GPI/O 32-39)和ADC2(10个通道，GPI/O 0、2、4、12-15、25-27)。但是Wi-Fi驱动程序使用了ADC2。因此，在开启WiFi后只能使用ADC1(GPI/O 32-39)。
.
.
当时设计的电路并不完善，后来才考虑到功耗问题，由于经济原因就没有另做一个版本的了。
以下是重新设计的电路，仅供参考。
在上图中，使用一个PMOS管控制电池与分压电路的通断，并将PMOS的G极上拉，额外使用一个GPIO引脚连接 ADC_EN ，通过输出高低电平可主动控制电池与电路的通断。也使得ESP32断电或者进入DeepSleep模式时使电池与分压电路断开，减小工作电流。
WS2812的供电电路也可以使用MOS管进行电源隔离。
在上图中，使用一个NMOS管控制 TP5400 的5V输出与 WS2812 的5V输入电路通断，并将NMOS的G极下拉。
额外使用一个GPIO引脚连接 WS2812_EN (可与POWER_EN相连，这样只使用一个GPIO引脚)，通过输出高低电平可主动控制电池与电路的通断。
也使得ESP32断电或者进入DeepSleep模式时使电池与分压电路断开，减小工作电流。
.
.
.
3、电量计算
关于电量的校准方法已经在 readme.txt 内的 "二、使用说明"中写明。
电量百分比的计算方法如下(在scan.ino 第49行)：
int adcpower = (((int)get_power() - BAT_MIN) * 100) / (BAT_SUB);
set_bat((uint8_t)adcpower);
直接获取电量百分比方法：
uint8_t get_bat();
电量百分比的计算已经在 键盘扫描任务 中完成，直接调用get_bat()即可获得电量百分比。
.
.
.
4、关于IIR滤波器设计
在设计原理图时已经在分压电路输出部分加了一个一阶RC低通滤波电路，但是效果不理想，所以在程序中对ADC采样数据增加了IIR滤波处理。
具体实现内容在 power.ino 文件中。
实现原理是创建一个滤波任务，定时器，信号量，队列。
定时器每隔 4ms 释放信号量。
void IRAM_ATTR adc_iir_callback()
{
xSemaphoreGiveFromISR(adc_iir_Semaphore, NULL);
}
滤波任务获取信号量，成功获取后进行滤波计算，并将滤波结果放入队列中供其他任务读取。
for (;;)
{
if (xSemaphoreTake(adc_iir_Semaphore, portMAX_DELAY) == pdTRUE)
{
x37v[0] = x37v[1];
x37v[1] = x37v[2];
x37v[2] = (double)analogRead(BAT_PIN);
y37v[0] = y37v[1];
y37v[1] = y37v[2];
y37v[2] = power_iir_a0 * x37v[2] + power_iir_a1 * x37v[1] + power_iir_a2 * x37v[0] - (power_iir_b1)*y37v[1] - (power_iir_b2)*y37v[0];
power_iir = y37v[2];
xQueueOverwrite(POWER_IIR_QUEUE, &power_iir);
}
}
程序中默认的参数：
使用定时器0，滤波阶数为2阶，采样频率Fs=250Hz，截止频率Fc=1Hz。
IIR滤波参数在 power.ino 第32~37行定义
#define power_iir_a0 0.000155148423475699032397095988855539872
#define power_iir_a1 0.000310296846951398064794191977711079744
#define power_iir_a2 0.000155148423475699032397095988855539872
#define power_iir_b0 1
#define power_iir_b1 -1.964460580205231954309397224278654903173
#define power_iir_b2 0.965081173899134947546940566098783165216
.
.
自定义滤波器
参数获取方法
需要使用MATLAB生产滤波系数，以下是滤波系数的生成方法 (自行安装 MATLAB 软件)。
1、在MATLAB命令行中输入 fdatool 然后回车，等待打开滤波器设计工具箱。
参数设置好后点击Design filter按钮，将按要求设计滤波器。
以上是设计采样频率为250Hz，截止频率为0.5Hz的2阶低通巴特沃斯型IIR滤波器的参数设置。
在工具栏上点击Filter Coefficients图标或者在菜单栏上选择Analysis→Filter Coefficients可以查看生成的滤波器系数 (默认情况下，Filter Coefficients把结果分成多个2阶Section显示，其中还有增益。增益的目的是为了保证计算的精度和系统的稳定性) 。
选择 Edit → Convert to Single Section ，这时候系数变成我们熟悉的形式：
将得到的系数复制粘贴到 power.ino 第32~37行的定义中。
.
修改过程中需要注意的是，改变阶数和采样频率时，需要对代码码进行修改。
以下是修改方法。
.
当改变了阶数
阶数不同，滤波器的系统函数不同，所以MATLAB工具得出的系数的个数也不同，原因复杂，自行百度。
如改为3阶，则是
从上到下分别对应a0 ~ a3 ，b0 ~ b3的值。
对应的也需要改变滤波任务中的计算公式
如果将阶数改为1阶，则计算公式为：
//保存滤波结果
double power_iir = 0.0;
//1阶 电源滤波
double y37v[2] = {0.0, 0.0};
double x37v[2] = {0.0, 0.0};
for (;;)
{
if (xSemaphoreTake(adc_iir_Semaphore, 0) == pdTRUE)
{
x37v[0] = x37v[1];
x37v[1] = (double)analogRead(BAT_PIN);
y37v[0] = y37v[1];
y37v[1] = power_iir_a0 * x37v[1] + power_iir_a1 * x37v[0] - (power_iir_b1)*y37v[0];
power_iir = y37v[3];
xQueueOverwrite(POWER_IIR_QUEUE, &power_iir);
}
}
如果改为3阶，则计算公式为：
//保存滤波结果
double power_iir = 0.0;
//3阶 电源滤波
double y37v[4] = {0.0, 0.0, 0.0, 0.0};
double x37v[4] = {0.0, 0.0, 0.0, 0.0};
for (;;)
{
if (xSemaphoreTake(adc_iir_Semaphore, 0) == pdTRUE)
{
x37v[0] = x37v[1];
x37v[1] = x37v[2];
x37v[2] = x37v[3];
x37v[3] = (double)analogRead(BAT_PIN);
y37v[0] = y37v[1];
y37v[1] = y37v[2];
y37v[2] = y37v[3];
y37v[3] = power_iir_a0 * x37v[3] + power_iir_a1 * x37v[2] + power_iir_a2 * x37v[1] + power_iir_a3 * x37v[0] - (power_iir_b1)*y37v[2] - (power_iir_b2)*y37v[1] - (power_iir_b3)*y37v[0];
power_iir = y37v[3];
xQueueOverwrite(POWER_IIR_QUEUE, &power_iir);
}
}
可按以上示例自行选择并设计阶数，需要注意的是，阶数越高，计算过程越复杂。
.
.
当改变了采样频率Fs
使用MATLAB设计滤波器系数时，如果选择采样频率为500Hz，相当于ESP32的ADC引脚每秒钟采样500次，此时应该修改定时器的参数，使定时器每隔2ms释放一次信号量。
修改方法：
在 power.ino 文件中的第135行
将4000修改为2000。
将
timerAlarmWrite(Timer, 4000, true); //4000us -> 4ms 采样频率250Hz
改为
timerAlarmWrite(Timer, 2000, true); //2000us -> 2ms 采样频率500Hz
.
需要注意的是，修改的采样频率是有上限的，ADC采样频率不可能一直提高，而且IIR滤波器任务的运行频率也受限制，建议在250Hz~500Hz即可。
.
.
.
参考资料
1、TP5400数据手册
http://proecb478.pic1./upload/TP5400.pdf
2、博客园博主XXX已失联的 IIR数字滤波器的实现（C语言）
https://www.cnblogs.com/21207-iHome/p/7059144.html
.
.
资料获取
全部工程文件进ESP32工程群(483217976)自行下载，所有文件在 ESP32键盘 目录下。
|
