#第七届立创电赛#USB功率计设计 - 立创电子设计大赛

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小罗与PCB相伴

赛事

第七届立创电子设计开源大赛

版本协议

GPL 3.0

标准版

#第七届立创电赛#USB功率计设计

创建时间：2年前

2123 1 5

描述

<div class="document"> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height:1.8;">1、项目功能介绍</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2">基于N32G430C8L7+INA199制作的USB电流表，精度1%，可以查看USB工作时候的电流。 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height:1.8;">2、项目属性</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"><ul><li>0.91寸OLED屏幕，显示效果清晰小巧；</li> <li>PCB板子适配公版外壳；</li> <li>采用低阻值采样电阻，防止过高的内阻影响USB供电效率；</li> <li>最大电压测量支持：6V</li> <li>最大测量电流：2.8A</li> <li>支持功率显示</li> </ul><h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height:1.8;"> 3、开源协议</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2">GPL 3.0 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height:1.8;">4、硬件部分</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2">1.主控芯片： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/fdvsHl3AL78nX0lIEBtqB9salCBUkPQGJa4f8tpn.png" alt="fdvsHl3AL78nX0lIEBtqB9salCBUkPQGJa4f8tpn.png"> 采用N32G430C8L7单片机，预留了一些必要接口，注意供电3.3V，4.7UF和100NF电容滤波。 2.复位电路： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/sTq2d7RlbYS2HZSh6gGVkWrxZ4UWPVyd5yVtDSQZ.png" alt="sTq2d7RlbYS2HZSh6gGVkWrxZ4UWPVyd5yVtDSQZ.png"> 复位电路官方是用排针来实现，我这里也是使用排针实现。 3.晶振电路： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/6btRGUa3PWfmjVvLzLQyoax4DqJKCP1oJmR6OJ2f.png" alt="6btRGUa3PWfmjVvLzLQyoax4DqJKCP1oJmR6OJ2f.png"> N32G430C8L7单片机自带内部晶振，前期可以不需考虑。如果考虑到后期可能会对电路进行升级，可以增加了8mhz的外部晶振电路。 4.BOOT选择电路： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/15wAhWysYOUuEP1IHrcyTxhwR778yUnSIer5rWMk.png" alt="15wAhWysYOUuEP1IHrcyTxhwR778yUnSIer5rWMk.png"> BOOT选择电路关系到falsh，请参考官方单片机文档了解详情。 5.电源降压电路： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/BHoOp4PUQEOjkAeTcm4ssCNQBFy11vr50DjFOp0b.png" alt="BHoOp4PUQEOjkAeTcm4ssCNQBFy11vr50DjFOp0b.png"> 采用AMS1117芯片，由于MCU的工作电压为3.3V，所以需要这个电路来实现对外部电压实现降压稳压到3.3V。 6.串口和调试接口： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/j4o17GMAsPEjfvxY3RblM18YtGDwMkEHcgKcG7ug.png" alt="j4o17GMAsPEjfvxY3RblM18YtGDwMkEHcgKcG7ug.png"> 芯片支持多种烧录方式，如市面常见的ST-Link、USB-TTL、Jlink等烧录器。案例上已经吧对应的接口使用2.54间距的排针引出作为烧录使用。 7. 0.91寸OLED屏： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/GZXSqjedESr2m1irKfnw15dH7nY4JyH0TP98WWx6.png" alt="GZXSqjedESr2m1irKfnw15dH7nY4JyH0TP98WWx6.png"> 显示部分的是使用的是0.91寸4P的蓝色OELD屏幕模块，采用IIC通信，显示效果清晰。 8.电压采集： 电压采样部分由两颗电阻构成的分压电路组成，其原理就是电阻串联分压的知识，其典型的电路如下： <img src="//" alt="image"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/BWGuvtOSR69UCfQYmualrAz9QRiWwVO6EVOQX7Sj.png" alt="BWGuvtOSR69UCfQYmualrAz9QRiWwVO6EVOQX7Sj.png"> 9.电流采集： <h3>电流采样</h3> 电流采样部分的是INA199B1DCKR电流感应放大器，（也称为电流传感放大器）常用于过流保护、针对系统优化的精密电流测量或闭环反馈电路。该系列器件可在独立于电源电压的–0.3V至 26V共模电压下感应分流电阻器上的电压降。共有三种固定增益可供选择：50V/V、100V/V和 200V/V。该系列器件采用零漂移架构，偏移较低，因此在进行电流感测时能够将分流电阻器两端的最大压降保持在最低10mV的满量程。参数如下： <ul><li>共模范围：–0.3V至26V</li> <li>偏移电压：±150μV（最大值）</li> <li>支持 10mV 满量程分流压降</li> <li>静态电流：100μA（最大值）</li> </ul><h3>采样电阻选择</h3> 在电流路径中以串联的方式插入一个低阻值的检测电阻会形成一个小的电压降，该压降可被放大从而被当作一个正比于电流的信号。然而，根据具体应用环境和检测电阻的位置，这种技术将对检测放大器造成不同的挑战。一般采样电阻的电阻值在1欧姆以下，属于毫欧级无感应电阻，但有些电阻，有采样电压等要求，必须选择大电阻值电阻，但电阻基数大，误差大。在这种情况下，需要选择高精度的无感应电阻(可达到0.01%精度，即万分之一精度)，使取样数据非常可靠。贴片的超低电阻值电阻(0.0005欧姆、2毫欧、3毫欧、10毫欧等)、贴片合金电阻、大功率电阻(20W、30W、35W、50W、100W)等产品，温度系数为正负5PPM。 <h4>采样方式</h4> <ul><li>此采样使用的是低边采样的方式，也就是采样电阻接在GND的回路上，此设计可以在差分信号送入运放的时候，运算完整的差分、跟随、放大、输出。如果使用高边采样，也就是采样电阻放置在电源和负载之间的高位，虽然这种放置方式不仅消除了低边检测方案中产生的地线干扰，还能检测到电池到系统地的意外短路，但是高边检测要求检测放大器处理接近电源电压的共模电压。这种共模电压值范围很宽，从监视处理器内核电压要求的电平(约1V)到在工业、汽车和电信应用常见的数百伏电压不等。应用案例包括典型笔记本电脑的电池电压(17到20V)，汽车应用中的12V、24V或48V电池，48V电信应用，高压电机控制应用，用于雪崩二极管和PIN二极管的电流检测以及高压LED背光灯等。因此，高边电流检测的一个重要优势，那就是检测放大器具备处理较大共模电压的能力。 所以，采样电阻加运放的电流采样方法，最好是在低端进行。虽然，低端采样，由于共地干扰的原因会影响信号的纹波情况。但是相对高端来说，方案简单易行，成本低，可靠度高。</li> </ul>说明： 如果INA199B1DCKR的库存不足，可以更换INA199A3DCKT此款芯片，需要注意的是，INA199B1DCKR的放大倍率是50，使用其他倍率的需要重新修改程序校准。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/hnCFlh5hkz8XrDIxTTbPSCTsXjRC9ghKYt3C2DqU.png" alt="hnCFlh5hkz8XrDIxTTbPSCTsXjRC9ghKYt3C2DqU.png"> <h3>5、软件部分</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"><h2>编译参数</h2> <ul><li>编译器：ARM Compiler version 5 (-O0)</li> <li>MDK版本：5.31</li> <li>调试器：ST-Link V2</li> </ul><h2>注意事项</h2> 如果采样得到的电压或电流不准，可以根据实际值修改<code>main.c</code>文件中<code>VOLTAGE_FACTOR</code>和<code>CURRENT_FACTOR</code>的值，具体计算公式为： <pre><code>VOLTAGE_FACTOR = 实际电压 / 显示电压 CURRENT_FACTOR = 实际电流 / 显示电流 </code></pre> <h3>6、照片展示</h3> <pre><code></code></pre> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"><pre><code></code></pre> <pre><code> </code></pre> </div>

文档

原理图

PCB

BOM

ID	Name	Designator	Footprint	Quantity
1	4.7uF	C1,C7,C9	C1210	3
2	100nF	C2,C3,C4,C5,C6,C8,C10,C13	C0805	8
3	12pF	C11,C12	C0603	2
4	HDR-F-2.54_1x4	H1	HDR-F-2.54_1X4	1
5	HDR-M-2.54_1x2	J1,J3	HDR-M-2.54_1X2	2
6	HDR-M-2.54_1x6	J2	HDR-M-2.54_1X6	1
7	10kΩ	R1,R2,R4	R0603	3
8	91kΩ	R3	R0805	1
9	0.01Ω	R5	R2512	1
10	0Ω	R6	R0603	1
11	N32G430C8L7	U1	LQFP-48_L7.0-W7.0-P0.50-LS9.0-BL	1
12	AMS1117-3.3_C351784	U2	SOT-223-3_L6.5-W3.4-P2.30-LS7.0-BR	1
13	INA199A1DCKR	U3	SC-70-6_L2.2-W1.3-P0.65-LS2.1-BR	1
14	U-G-04DD-W-01	USB1	USB-A-TH_U-G-04WD-W-01	1
15	U-A-24DS-W-1	USB2	USB-A-SMD_U-A-24DS-W-1.	1
16	8MHz	X1	OSC-TH_L11.1-W4.7-P4.88	1