MC33665 + MC33774 控制流程及 TPL3 帧结构介绍

一. 概述：

MC33665A：通用电池管理通信网关和变压器物理层 (TPL) 收发器。该设备通过标准通信协议转发来自不同 TPL（NXP 的隔离菊花链协议）端口的消息，标准通信协议可确保与市场上可用的微控制器兼容。

MC33774：AFE 模拟前端，可管理 4~18 串电池，采用 TPL3 菊花链协议，兼容了高精度电池电压和温度测量以及各种电池电压平衡策略。

MC33665A 提供了四个隔离的 TPL 菊花链端口，可用于与菊花链中的其他隔离 BMS 设备（如MC33771C、MC33772C 和 MC33775A）进行通信，具有单链模式及回环模式。本文将简要介绍在单条链上 MC33665 与 MC33774 的控制流程，其余菊花链控制流程相似。

二. TPL3 协议

1. MCU 与 MC33665 之间使用 SPI：在介绍控制流程之前首先需要了解其使用的通信协议。对于 MC33665ATS4AE 此 SPI 网关来说，它与 MCU 通过 SPI 连接，相应的还有 UART 网关和 CAN 网关，分别以 UART 和 CAN 方式连接，本文以 SPI 网关为例。

2. MC33665 与 MC33774 之间使用 TPL3：MCU 通过 SPI 发送或接收 TPL3 结构的帧来与 MC33665 通信，修改帧中的菊花链地址（CADD）和设备地址（DADD）可以选择进行 MC33665 内部寄存器配置，还是在匹配配置的 TPL 端口上发送消息，若是选择在 TPL 端口上发送消息，信号则以 TPL3 差分形式进行传输，通过双绞线到达链上的 MC33774 电池管理单元。

如图 1 所示为基于 MC33665A 的 BMS 架构示例，其采用了回环模式。

图 1 基于 MC33665A 的 BMS 架构示例

3. TPL3 协议：接下来将通过三个问题了解 TPL3 协议
（1）什么是 TPL？
TPL：NXP 专有的菊花链协议，利用脉冲变压器实现的高速差分隔离通讯。
（2）TPL3的编码符号是什么样？

图 2 TPL3 编码符号

（3）TPL3 帧包括哪些内容？

如图3 所示为 TPL3 的帧结构，TPL3 协议支持 64 位、80 位、96 位和 112 位的消息长度，在发送前要将消息打包为上述结构的帧，MCU 与 MC33665 之间通过 SPI 来收发该 TPL 帧，接收到的 TPL 帧需要在 MCU 进行解码。MC33665 与 MC33774 之间则通过 TPL 端口来收发 TPL3 帧格式的差分信号。

以下为 TPL3 帧结构主要内容：

图 3 TPL3 帧结构

MADD：主节点地址（默认 0）。

CADD：菊花链地址（MC33665A 有四条菊花链）。

DADD：链上的设备地址（每条链 62 个节点）。

RADD：寄存器访问起始地址。

MSGCNT：记录 MC33665A 的响应消息数量。

DATALEN：有效 data 的数目。

PAD：指定是否响应消息需要填充。

RESPLEN：一个响应帧中要传输的寄存器数。

NUMREG：请求的寄存器总数。

Padded:可选消息填充。

三. MC33665 与 MC33774 通信过程

1. MCU 配置
MC33665 分为请求 SPI 和响应 SPI，进行 MCU 配置前，需要通过硬件接线选择 MC33665 使用的是单路 SPI 还是双路 SPI ，本文以单路 SPI 为例。首先根据 MC33665 的默认配置来进行 MCU SPI 配置，默认情况下 MCU SPI 需要先作为主机，其 CPHA = 1，CPOL = 0，在 SPI 可以读写 MC33665 内部寄存器后再修改所需模式。

图 4 MCU初始配置

2. MC33665 配置

2.1 复位和唤醒

图 5 MC33665 运行模式及过渡

如图 5 所示为 MC33665 操作模式和转换，在 MCU 配置完成后，需要对 MC33665 进行复位和唤醒，步骤如下：

（1）启动：检查 VDDD > 4V。

（2）复位引脚高电平（100us）后转低电平（延时 500 us 以上）。

（3）唤醒事件唤醒：

① MCU 侧唤醒（发送 TPL3 64 bit NOP 帧）：
a. SPI CSN_REQ 上升沿
b. SDAT_REQ_RXD 下降沿

② 唤醒引脚：
a. WAKE_IN 高电平（最小激活时间30微秒）

③ TPL 接口上唤醒：
a. TPL PORT0~3 (EVH_WAKEUP_CFG.PORTx == 1 && SYS_PORTx_CFG.EN == 1)

写入 EVH_WAKEUP_CFG.WAKEUPMSG.寄存器可以配置唤醒源，读取唤醒原因寄存器 EVH_WAKEUP_REASON 可清楚唤醒原因

（4）检查 STB_OUT 和 STB_N_OUT 引脚：从 STB_OUT 和 STB_N_OUT 可以看出当前所处模式，当 STB_OUT 为低电平、 STB_N_OUT 为高电平时说明当前处于主动模式；当 STB_OUT 为高电平、 STB_N_OUT 为低电平时说明当前处于睡眠或过渡模式。

2.2 SPI 发送打包成 TPL3 格式的帧读写寄存器

发送 TPL3 帧前需要根据 TPL3 帧格式将所需内容进行打包，TPL3 打包方式如下：

（1）无前缀：分别打包为 64 位、80 位、96 位和 112 位帧，如图 3 所示。

（2）启动前缀：将 TPL3 打包为固定长度的 128 bit，消息前缀用于在不触及消息的情况下为消息提供附加信息,固定的帧长度可以帮助 MCU 中的处理(例如，DMA 传输)。前缀启用时，允许 MCU 添加一个或多个零填充字节。MC33665A忽略这个填充。如图 6、7 分别为请求前缀和响应前缀。

图 6 请求前缀

图 7 响应前缀

2.3 MC33665 内部寄存器配置
在打包后发送链地址等于 0 (CADD = 0)和设备地址等于 1 (DADD = 1)的命令将提供对 MC33665A内部寄存器的访问。以下为 MC33665 的主要配置寄存器:

① SYS_COM_TO_CFG 配置系统通信超时。

② SYS_PORTx_CFG 配置链上传输 TPL2/3、配置 CADD 等 …

③ SYS_HOST_COM_CFG 启用前缀。

3. MC33774 配置

3.1 发送 MC33774 唤醒消息

① 发送唤醒帧。

② 延时 2.4 ms。

③ 再次发送唤醒帧。

④ 延时 4 * 设备个数 ms。

唤醒帧格式可如图 8 所示，该时序为启用了前缀后的 128 bit TPL3 帧，data 为 0xFFEE，主机地址为 0 ，唤醒全部 TPL 端口及链上设备。

图 8 唤醒帧结构

3.2 ID 分配

初始化配置 MC33774 设备地址 DADD：首先 MCU 要由 MC33665 内部寄存器配置转换为匹配配置的 TPL 端口上发送，修改 CADD 为 MC33665 SYS_PORTx_CFG 寄存器设定的值。例如启用端口 PORT0，在 MC33665 内部寄存器配置时将 SYS_PORT0_CFG 的 CADD 位设置为 001 （自定义菊花链编号， CADD ≠ 0），将 TPL 帧中的设备地址 DADD 修改为 0 ，此时数据在 TPL 端口 PORT0 上传输，只有一个设备时，即可配置链上的第一个 MC33774 设备寄存器。
将 TPL 帧中 MC33665 寄存器地址修改为 MC33774 SYS_COM_CFG 寄存器地址，CADD = 0001，DADD =0，MC33774 SYS_COM_CFG 寄存器用来进行初始配置，应给第一个设备分配其 ID。如图 9 为 SYS_COM_CFG 寄存器可进行配置的内容。

图 9 SYS_COM_CFG 寄存器

① NUMNODES：菊花链中的节点数。

② BUSFW：是否 TPL 总线转发。

③ CADD：链地址（与 MC33665 配置一致，如菊花链 001）。

④ DADD：设备地址（给定第一个设备 ID，如给定第一个设备地址为 000001）。

当给定第一个设备地址 DADD = 000001 后，接下来的 TPL 帧中的 DADD 则修改为对应的 DADD = 000001，才可进行第一个设备其他寄存器的配置。如若一条链上有多个 MC33774，则首先需要给链上所有设备分配 DADD。如图 10 所示为 3 个 MC33774 的地址分配流程， BUSFW 位为 1 提供总线的转发，DADD 等于 0 可按链上设备顺序依次进行 DADD 分配，给第一个设备 DADD 写 1，第二个设备 DADD 写 2，第三个设备 DADD 写 3。地址分配结束后通过修改 TPL 帧中的 DADD 即可读写对应 MC33774。