原理篇1、锂电池充/供电与电量检测

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.ysjianzhan.cn/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。