SC8903自動升降壓控制器 (NUC2201LE3AE)

項目概述

這是一個基於Nuvoton NUC2201LE3AE微控制器的SC8903自動升降壓芯片控制器，具有以下主要功能：

• PWM控制SC8903的輸出電壓和電流
• 輸入/輸出電壓及電流檢測
• LCD顯示界面 (主要視圖與設定選單視圖)
• 按鈕控制界面
• 設定參數保存與讀取 (Data Flash)
• 支持 USB 虛擬串口 (VCOM) 遠程監控與控制

硬件要求

• Nuvoton NUC2201LE3AE 微控制器 (使用3.3V電源)
• SC8903 自動升降壓芯片
• 系統時鐘：內部高速RC振盪器（HIRC 72MHz），配合 USB Crystal-Less 功能
• 接口定義：
  • SC8903 控制：
    • DISABLE 腳位 - PA6 (0=Enable, 1=Disable)
    • 電壓控制PWM - PA14 (PWM2, 20kHz)
    • 電流控制PWM - PA13 (PWM1, 20kHz)
  • ADC 狀態檢測：
    • 輸入電壓檢測 - PA0 (ADC0，上分壓100KΩ，下分壓10KΩ)
    • 輸出電壓檢測 - PA1 (ADC1，上分壓100KΩ，下分壓10KΩ)
    • 輸出電流檢測 - PA2 (ADC2，採樣電阻可配置(預設10.0mΩ，範圍0.1~100.0mΩ)，經INA199A1DCKR放大50倍)
  • 人機界面 (HMI)：
    • 狀態指示燈 (LED) - PA5 (啟動輸出時亮)
    • 蜂鳴器 (Buzzer) - PA12 (PWM0, 2.73kHz)
    • 加按鈕 (Up) - PB8
    • 減按鈕 (Down) - PA11
    • 確定/中按鈕 (Middle) - PB15
    • 設置按鈕 (Set) - PA10
  • LCD SPI接口：
    • SPI0_CLK - PC1
    • SPI0_MOSI - PC3
    • DC - PB2
    • RST - PB3
    • CS - PC0
    • BL (背光) - PA15 (PWM3)
  • 放電控制：
    • 放電腳位 - PA4 控制N通道FET。輸出高於設定電壓 1V，或關閉輸出時，啟動自動放電。
  • 遠程控制：
    • USB 接口 (D+/D-)，用作 VCOM (Virtual COM Port)。不使用傳統 UART (PB0/PB1 已釋放為普通 GPIO)。
  • 溫度檢測 (NTC)：
    • NTC 10kΩ B3950 接於 PC7 (ADC7)。
    • 接線方式：3.3V --- 2.20kΩ (固定) --- ADC7 腳位 --- NTC --- GND。

軟件功能

PWM控制

• 通過 PWM 產生模擬電壓，經過 RC 低通濾波與運算放大器後，注入 SC8903 的 FB 及 ICTRL 腳位，從而精要調節輸出電壓與電流。
• PWM頻率固定為 20kHz。
• 額外 PWM0 用於蜂鳴器頻率為 2.73kHz。

電壓/電流/溫度檢測與安全保護

• 實時獲取 ADC 值，並提供 4 階移動平均濾波 (Moving Average Filter)。
• 輸入電壓保護：輸入電壓若異常（低於 4.5V 或高於 24V），將自動保護並關閉輸出。
• 溫度監測：集成 NTC B3950 溫度檢測，實時顯示當前環境或元件溫度。

LCD顯示

• Main View (主視圖)：支持 3 種佈局切換 (在主視圖時短按 PA11 切換)：
  1. Layout 0 (標準版)：顯示 Vin, Vout, Vset, Iout, Iset, Time, Cap, Power。
  2. Layout 1 (大字體版)：顯示大號 Vout/Iout，以及 Power, Capacity (Ah), Energy (Wh), Temperature (°C), Timer。
  3. Layout 2 (圖表版)：顯示當前 V/I 數值及 160 點 電流歷史曲線圖 (1px/sec)。
• Menu View (菜單視圖)：包含 6 個設定項，支持滾動顯示 (每次顯示 4 項)：
  1. V-Set: 電壓設定
  2. I-Set: 電流設定
  3. Calib: 電壓校準百分比 (-10.0% ~ 10.0%)
  4. Cap Lim: 容量限制設定 (到達限制會自動斷電保護)
  5. Reset T&C: 重置運行時間、容量與能量
  6. R-Sns: 採樣電阻設定 (0.1~100.0mΩ，預設10.0mΩ)
• 智能刷新機制：結合 UpdateDisplay 旗標與 ClearScreenAndResetLastValues，僅在數值改變並達到顯示更新間隔 (60秒) 時局部或全局更新畫面，減少 SPI 頻寬佔用。

按鈕控制 (具備防抖處理)

• PB15 (中按鈕/確定)：
  • 長按 (>1000ms)：在主視圖且輸出關閉時，開始輸出 (Enable SC8903)。
  • 短按：在菜單視圖時返回主視圖；或在輸出狀態時作為緊急暫停鍵 (關閉輸出)。
• PA10 (設置按鈕)：
  • 長按：在主視圖與菜單視圖之間互相切換。
  • 短按：在主視圖時短按切換到菜單視圖；在菜單視圖時短按則為向下滾動設定項。
• PB8 (加按鈕)：
  • 長按：在菜單中粗調設定值 (電壓±1V, 電流±100mA, 容量限制±1Ah, 採樣電阻±1mΩ)。若游標在 Reset 項目時執行數據重置。
  • 短按：在菜單中微調設定值 (電壓±0.1V, 電流±10mA, 容量限制±0.1Ah, 採樣電阻±0.1mΩ)。若游標在 Reset 項目時執行重置。
• PA11 (減按鈕)：
  • 長按：在菜單中粗調設定值 (同上)。
  • 短按：在主視圖時切換 LCD 佈局佈局 (Layout 0/1/2)；在菜單視圖時微調設定值。

參數保存

• 使用 FMC (Flash Memory Controller) 將設定保存至 Data Flash (自定義地址 0xF000)。
• 系統會自動檢測設定值是否被修改，當參數修改完成且穩定停留超過 2 秒後，會自動將參數寫入 Flash，斷電不遺失。

USB VCOM 遠程控制

當專案中定義了 IS_VCOM_CTRL 1，MCU 會列舉成標準的 USB CDC 虛擬串口，隨插即用，取代傳統的 UART 通訊。通信參數隨意配置即可 (推薦 115200 bps)。

狀態報告

設備每 200ms 自動往上位機回報一次系統狀態，格式如右： Vin:12000,Vout:5000,Vset:5000,Iout:100,Iset:1000,Time:10,Cap:5,Power:0.50,Calib:0,CapLim:5.0,Out:1,Rsns:100,Temp:35.5,TLim:85

欄位	說明	單位
Vin / Vout / Vset	入/出/設 電壓	mV
Iout / Iset	出/設 電流	mA
Time	運行時間	秒
Cap / CapLim	容量/容量限制	mAh / Ah
Power	輸出功率	W
Calib	電壓校準	0.1%
Out	輸出開關狀態	0(關閉) / 1(開啟)
Rsns	採樣電阻值 (×0.1mΩ 整數，即實際值需÷10)	×0.1mΩ
Temp / TLim	當前溫度 / 溫度上限	°C

控制指令

由 PC 下發指令時，必須以換行符號 \n 或是 \r 做為結尾。

指令格式	說明	範例
Vxxx	設定輸出電壓 (mV)	V12000 (設為 12V)
Ixxx	設定輸出電流 (mA)	I2000 (設為 2A)
P0 / P1	關閉/開啟輸出	P1 (開啟輸出)
Cxxx	設定校準值 (%)	C-30 (校準為 -3.0%)
Lxxx	設定容量限制 (Ah)	L5.5 (限制為 5.5Ah)
Sxxx	設定採樣電阻 (×0.1mΩ整數，1~1000)	S100 (設為 10.0mΩ)，S1 (設為 0.1mΩ)
Txxx	設定溫度上限 (°C)	T85 (設為 85°C)
Bxxx	設定蜂鳴器音量 (Duty)	B5000 (音量 5000/65535)
R	重置時間與容量	R (清零)

開發注意事項 (Development Notes)

1. GPIO 中斷分配

   • PB.15 (中按鈕)：獨立綁定至 EINT1_IRQn，必須在 EINT1_IRQHandler 中處理。
   • PA.10, PA.11, PB.8：統一由 GPAB_IRQn 管轄，在 GPAB_IRQHandler 中通過 GPIO_GET_INT_FLAG 區分。
   • 所有按鍵均啟用了 LIRC (10kHz) 時鐘驅動的硬體防抖 (Debounce)。

2. USB Crystal-less 修整機制 (Trim) 本專案使用了 MCU 內建 48MHz HIRC，並依賴 USB 的 SOF (Start of Frame) 封包進行頻率的硬體自我修整以達到不需要外部晶振(Crystal)就可以實現高精度 USB 通訊目的 (IS_VCOM_CTRL 與 CRYSTAL_LESS 同時為真)。在主循環中不可移除 SYS->HIRCTCTL 的修正維護邏輯，否則可能造成 USB VCOM 連線的脫機與不穩定。

3. Data Flash 架構與解鎖 在運用 FMC 寫入韌體內部時，除了須知悉位址起始點 DATA_FLASH_BASE (0xF000) 之外，存取前必須呼叫 SYS_UnlockReg(); 解開暫存器防寫鎖定；對 Data Flash 的更新必須是以整頁擦除 (FMC_Erase) 為單位再分字寫入 (FMC_Write) 操作。

4. UART 資源釋放 為避免腳位浪費並提升專案簡潔度，main.c 已廢棄硬體 UART0 外部通訊，全面遷移至 USB VCOM，從而釋放了 PB.0 及 PB.1 腳位。UART0 模組僅保留內部用於 cdc_serial.c 的 LineCoding 邏輯。

5. 定時器分配

   • Timer0: 1ms 系統滴答 (System Tick)，用於按鍵計時與 1秒任務。
   • Timer1: 1ms 顯示刷新與 ADC 掃描觸發。
   • Timer2: 單次觸發模式，用於 delay_1ms 函數。