摘要
可與數字電源UCD3138 配套使用的Fusion Digital Power Designer 軟件擁有Graphical User Interface (GUI) 界面，用戶可在其上編輯數據并通過對應的PMBUS 命令與UCD3138 的軟件交互。在GUI 界面中，用戶可以靈活的增加GUI 軟件支持的PMBUS 命令，亦可以刪除，因此大幅提高了GUI 的靈活性。本文通過兩個實例，詳細分析了如何增加和刪除GUI 軟件可以支持的PMBUS 命令。
1 數字電源GUI 軟件及其配置功能
數字電源GUI 軟件運行于用戶計算機，可以借助PMBUS 總線與UCD3138 數字電源通信，完成配置、設計和監控等功能。用戶可以靈活的在界面中添加PMBUS 命令支持的信息，亦可以在其中刪除。
1.1 數字電源GUI 軟件
圖1 所示的是與UCD3138 數字電源芯片配套使用，可用來對基于UCD3138 數字電源進行配置，設計及監控的GUI 軟件：Fusion Digital Power。該軟件安裝并運行于用戶的計算機上，通過PMBUS 總線與UCD3138 的軟件進行交互。
圖1：數字電源GUI 軟件
該軟件主要包含以下功能：
1）配置：通過PMBUS 命令對數字電源的參數進行配置，如輸入電壓的欠壓保護點（對應的PMBUS 命令為VIN_ON 和VIN_OFF），輸出電流的過流保護（對應的PMBUS 命令為IOUT_OC_FAULT_LIMIT）。
2）設計：主要是對數字電源的環路參數進行設計和模擬。
3）監控：可以實時監控輸入電壓，輸入電流和溫度等諸多信息。
4）狀態：可以顯示電源板輸入和輸出等狀態，告知用戶當前是否存在故障。
1.2 GUI 軟件的配置功能
圖1 所示的是GUI 的配置界面，其顯示的每一條信息都對應一條PMBUS 命令，可以在用戶計算機與UCD3138 之間傳遞。例如制造商的位置信息（MFR_LOCATION ），對應的便是PMBUS 命令MFR_LOCATION （0x9C），借助PMBUS 總線GUI 軟件可以將UCD3138 中存貯的信息讀取并顯示出來。用戶也可以自行重新編輯該信息，新信息會傳遞到UCD3138 芯片中并進行存儲。
在實際應用中，不同的用戶會關注不同的參數信息。為提高靈活性，GUI 軟件支持用戶添加和刪除PMBUS 命令支持的參數信息。下面將詳細介紹如何在GUI 中進行相關操作。
2 增加輸出過流保護點信息
輸出過流保護點對應的PMBUS 命令為IOUT_OC_FAULT_LIMIT，可以用來配置系統的輸出過流保護點。本節詳細介紹如何在GUI 中添加信息欄來接收用戶的輸入，同時修改UCD3138 的軟件來對用戶的輸入信息進行處理并最終調整相應模擬比較器的閾值電壓。
2.1 解除對PMBUS 命令的屏蔽
在UCD3138 軟件中，定義了CMD_DCDC_NONPAGED 變量，保存了每一個PMBUS 命令的狀態：用0和1 表征屏蔽還是未屏蔽，如下代碼所示。而“ 輸出過流保護點” 對應的PMBUS 命令是IOUT_OC_FAULT_LIMIT （0x46），需要首先在UCD3138 的軟件中去掉對該命令的屏蔽。
#define CMD_DCDC_NONPAGED \
{0x00, 0x00, \
0x00, 0x00, \
0x00, 0x00, \
0x00, 0x00, \
0x02, 0x00, \
0x00, 0x00, \
0x00, 0x00, \
0x00, 0x00, \
0x00, 0x00, \
0x00, 0xFE, \
0x00, 0x00, \
0x00, 0x00, \
0x00, 0x00, \
0x00, 0x40, \
0x3D, 0x00, \
0x00, 0x14 \
}
Fusion Digital Designer 提供了Bitmask tool，用來快速生成新的CMD_DCDC_NONPAGED 變量。具體操作如下。
1） 如圖2，在菜單“Tools”中點擊Isolated GUI Bitmask Generator Tool；
圖2：運行Isolated GUI Bitmask Generator
2）如圖3，在隨后打開的界面中，勾選“PMBUS_CMD_IOUT_OC_FAULT_LIMIT”，即使能命令IOUT_OC_FAULT_LIMIT。此時界面右側的數據會有變化，該PMBUS 對應的位由0 變為了1。
圖3：勾選相應PMBUS 命令并復制輸數據
3）將圖3 右側紅色圖內的數據復制到UCD3138 的軟件中，覆蓋原來的CMD_DCDC_NONPAGED 變量。
2.2 GUI 中增加新的信息欄
將上述新生成的軟件編譯后燒錄到UCD3138 中，此時通過Fusion Digital Designer 與UCD3138 建立連接后,會發現，GUI 中新增了一條信息輸入欄，見圖
4 中的紅色框
該信息欄的名稱為“IOUT_OC_FAULT_LIMIT”，代碼為0x46，上述為固定信息，是由GUI 軟件自身設定，用戶無法修改。后面的“Value/Edit”值則用來輸入用戶設定的過流保護點。
圖4：GUI 出現新增信息輸入欄
2.3 UCD3138 軟件中的數據處理
截止到上節，用戶可以在GUI 中新增一條信息欄并輸入數據，然后通過對應的PMBUS 命令，將該數據傳輸到UCD3138 中。但為了使UCD3138 接收該數據并調整相應的模擬比較器閾值，還需要修改UCD3138 的軟件。
1、定義變量和結構體
如下代碼，定義了新的結構體變量PMBUS_DCDC_CONFIG，包含成員iout_oc_fault_limit 和reserved。隨后定義了該結構體類型的外部變量pmbus_dcdc_config 和pmbus_dcdc_config_translated，分別用于接收和保存GUI 傳輸到UCD3138 的數據和格式轉換后的數據。
typedef struct
{
Uint16 iout_oc_fault_limit;
Uint16 reserved;
}PMBUS_DCDC_CONFIG; //must be even number of int16
EXTERN PMBUS_DCDC_CONFIG pmbus_dcdc_config[1];
EXTERN PMBUS_DCDC_CONFIG pmbus_dcdc_config_translated[1];
2、創建新的PMBUS 讀與寫函數
由于從GUI 傳輸過來的數據的首個字節是對應的PMBUS 命令的代碼，如0x46，并會存放在pmbus_buffer[0]中。因此，可以在函數pmbus_write_message()中創建新的case 語句，并返回一個新創建的函數pmbus_write_iout_oc_fault_limit()，該新函數用來處理接收到的數據。這樣就實現了一旦UCD3138 接收到新的數據后，且該數據是用戶重新編輯的“輸出過流保護點”信息，則就會調用pmbus_write_iout_oc_fault_limit()函數進行處理。
switch (pmbus_buffer[0])
{
case 0x46:
return pmbus_write_iout_oc_fault_limit();
}
同時，也需要在函數pmbus_read_message() 中創建新的case 語句，并返回一個新創建的函數pmbus_read_iout_oc_fault_limit()，用來返回接收到的信息到GUI 中，以確保信息傳輸正確。這種讀取后再返回驗證的操作是PMBUS 協議的規定。
switch (pmbus_buffer[0])
{
case 0x46:
return pmbus_read_iout_oc_fault_limit();
}
3、數據處理函數的設計
◎接收數據處理函數pmbus_write_iout_oc_fault_limit()
該函數用來接收來自GUI 的數據，并將該數據的格式由Linear Data Format 轉換為浮點型數據，最后強制轉換為整數型賦給模擬比較器。關鍵代碼分析如下：
上文提到，來自GUI 的數據的首字節是對應的PMBUS 命令代碼。隨后的兩個字節便是Linear Data 格式的數據。將該數據保存在pmbus_dcdc_config 結構體的iout_oc_fault_limit 成員中，如下代碼所示。
Pmbus_dcdc_config[0].iout_oc_fault_limit = pmbus_buffer[1] + (pmbus_buffer[2] << 8);
下面代碼是調用格式轉換函數linear11_to_float()，將上面接收到的數據轉換為浮點型數據。
local_variable = linear11_to_float(pmbus_dcdc_config[0].iout_oc_fault_limit);
由于轉換后的浮點型數據與最終需要賦給模擬比較器閾值的數據存在一定的比例，需要一個轉換系數（scaler）。縮放后存放在pmbus_dcdc_config_tanslated 結構體的iout_oc_fault_limit 成員中。
pmbus_dcdc_config_translated[0].iout_oc_fault_limit = (int)(local_variable*2.54);
最終該值賦給模擬比較器的閾值，用來做快速保護。
FaultMuxRegs.ACOMPCTRL0.bit.ACOMP_B_THRESH=pmbus_dcdc_config_translated[0].iout_oc_fault_limit;
◎返回數據處理函數pmbus_read_iout_oc_fault_limit
該函數用來返回UCD3138 軟件接收的數據到GUI 中，以使GUI 將寫入和讀取的數據做比較（比較判斷等操作在GUI 軟件中完成），保證數據正確。該函數調用pmbus_read_two_byte_handler() 將保存在Pmbus_dcdc_config[0].iout_oc_fault_limit 的數據返回到GUI。關鍵代碼如下：
pmbus_read_two_byte_handler(pmbus_dcdc_config[0].iout_oc_fault_limit);
而在pmbus_read_two_byte_handler()函數中的關鍵代碼為：
pmbus_buffer[1] = value >> 8;
pmbus_buffer[0] = value & 0xff;
pmbus_buffer 字節中的數據會最終上傳到GUI 軟件中。
4、數據轉換函數的設計
◎Linear Data Format 數據格式
上文提到，來自GUI 的數據遵循PMBUS 協議，其格式為Linear Data Format。如圖5，其低11 位為“尾數”，以補碼形式保存；高5 位為“指數”，亦是以補碼形式保存。該數據與實際數據的關系為：X=Y× 2N 。
圖5：PMBUS 協議中的Linear Data Format
◎ARM 編譯器中的浮點型數據
如圖6，為ARM 編譯器中對單精度浮點型數據的存儲格式。其最高位為符號位，接下的8 位為指數，后面的23 位為尾數。在編譯器中定義的浮點數據，將以該格式存儲在硬件存儲空間。
圖6：ARM 編譯器中的浮點型數據格式
◎定義結構體和聯合體
如下，定義了結構體FLOAT_ELEMENTS ，用以保存上文提到的浮點型數據。還定義了聯合體FLOAT_OPEN，成員包括浮點型數據“all”和結構體類型數據“bit”，用以保存轉換完畢的浮點型數據。
struct FLOAT_ELEMENTS {
Uint32 SIGN:1;
Uint32 EXPONENT:8;
Uint32 MANTISSA:23;
};
union FLOAT_OPEN {
float all;
struct FLOAT_ELEMENTS bit;
Uint32 word;
};
◎轉換函數linear11_to_float()
該函數完成將來自GUI 的Linear Data Format 格式的數據轉換為浮點型數據，并作為返回值返回。包含的關鍵代碼如下。
定義變量，包括整型“mantissa”和“exponent”及結構體變量“final”。
int16 mantissa, exponent;
union FLOAT_OPEN final;
下面代碼完成對輸入參數的分析，并擴展到16 位。如果輸入參數的尾數是負值，前5 位補1；如果是正值，前5 位補0。
if(linear11 & 0x0400)// if mantissa is negative
{ mantissa = linear11 | 0xfc00; //put it in there at minimum mantissa }
else
{ mantissa = linear11 & 0x07FF; }
下面代碼首先是將mantissa 左移16 位（16+16=32），以使其數據長度符合單精度浮點型數據的長度，然后exponent 減去16，保證了原始數據的大小沒有變化。
final.all = ((int32)mantissa) << 16; //set it up for minimum exponent.
exponent = (linear11 >> 11) - 16; //get exponent to match shifted value
下面代碼首先判斷單精度浮點型的指數是否為負。如果是負，則改寫其為零，原因是對應的“輸出過流保護點”不會出現負值；如果是正，則將指數信息放置在單精度浮點型數據的指數位置。
if((final.bit.EXPONENT + exponent) < 0)//if it's so low it will wrap
{ final.bit.EXPONENT = 0; }
else
{ final.bit.EXPONENT = final.bit.EXPONENT + exponent; }
上述操作完畢后，final.all 中就保存了轉換后的浮點型數據，因此可以作為返回值返回。
return final.all;
2.4 操作流程圖
上述所有操作的流程圖見圖7。
圖7：UCD3138 接收信息流程圖
3 刪除GUI 信息欄
用戶亦可以自行刪除GUI 中多余的信息欄，操作過程主要包括對應PMBUS 命令的屏蔽，UCD3138 軟件對應接收處理函數的刪除等。如圖8，以刪除紅色框內的信息欄為例。查看其對應的PMBUS 命令代碼是0xFA，故首先在CMD_DCDC_NONPAGED 變量中屏蔽對應的位，可以使用Bit Mask Tool。
圖8：刪除GUI 中的信息欄
此時重新編譯軟件并下載到UCD3138 后，GUI 中將不再會出現該信息欄，見圖4。但UCD3138 軟件中依然保留有對該PMBUS 命令的接收、轉換和處理等函數，亦需要刪除，在此不再贅述。
4 小結
通過上文兩個實例的分析可知，用戶在GUI 軟件中可以靈活的添加或刪除PMBUS 命令對應的信息欄，提高了GUI 的靈活性。該操作主要包括PMBUS 命令的使能或屏蔽及UCD3138 軟件添加或刪除相應處理函數等兩大部分。
5 參考文獻
1. UCD3138 datasheet, Texas Instruments Inc., 2011
2. PMBus_Specification_Part_I_Rev_1, 2007
3. PMBus_Specification_Part_II_Rev_1, 2010
4. ARM Optimizing C/C++ Compiler, v4.9, User's Guide, Texas Instruments, 2011