#第七届立创电赛#USB电流表 - 立创电子设计大赛

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第七届立创电子设计开源大赛

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GPL 3.0

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#第七届立创电赛#USB电流表

创建时间：2年前

9823 8 15

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</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2">基于N32G40C8L7+INA199A1的电流表。 基础电流表版本支持5v快充，最大输入电压6V，最大输入电流2A。使用了0.91oled单色屏实时显示电流，电压，功率的数值，不具备拓展功能。 进阶电流表版本支持快充，pd诱骗，最大输入电压20V，最大输入电流3A。使用了0.96寸彩色lcd实时显示电流，电压，功率的数值，以及可以实时显示电流，电压，功率变化趋势曲线。 PS：本人属于小白一个，工程有不对的地方欢迎在评论区中指出，不喜勿喷！谢谢各位大佬！ <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 硬件部分</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"><h4 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;">2.1 N32最小系统</h4> N32G430C8L7 微控制器产品采用高性能 32 位 ARM Cortex™-M4F 内核，集成浮点运算单元（FPU）和数字信号处理（DSP），支持并行计算指令。最高工作主频 128MHz，集成高达64KB片内加密存储Flash，并支持多用户分区权限管理，支持16KB 的嵌入式 SRAM。内置一个内部高速 AHB 总线，两个低速外设时钟总线 APB 及总线矩阵，支持40个可复用 I/Os，提供丰富的高性能模拟接口，包括1个12位 4.7Msps ADC，支持16个外部输入通道和3个内部通道，同时提供多种数字通信接口，包括 4个U(S)ART、2个I2C、2个SPI/I2S、1个CAN 2.0B通信接口。N32G430C8L7 微控制器产品可稳定工作于-40°C 至+105°C的温度范围，供电电压2.4V至3.6V，提供多种功耗模式供用。 本次案列使用的资源较少，不必接外部晶振。同时根据国民技术给出的参考资料来看每个电源引脚需要接100nf的电容来进行滤波，引脚1需要接4.7uf电容。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/SFBRvezcjqdXQgJJpC1OrYufdaWMtky6KgzT5b3x.png" alt="SFBRvezcjqdXQgJJpC1OrYufdaWMtky6KgzT5b3x.png"> <h4 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;"> </h4> 此外除了外接时钟电路，滤波电容之外，构成单片机最小系统还差复位电路跟boot电路。复位电路跟boot电路没有采用按键来进行拉高或拉低，其是为了降低按键在pcb上占用面积，所以选用了两个焊点来代替按键。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/b0OdhGiHVkXsy0vC99uEOwWvuNxgp7m4cOQ3BzK2.png" alt="b0OdhGiHVkXsy0vC99uEOwWvuNxgp7m4cOQ3BzK2.png"> <h4>2.2 烧录接口</h4> 烧录接口选择排针与pwlink进行连接，同时保留串口。不过在5v基础版本中可以选择可以将直插排针换成弯插排针。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/sycQEj48GqCQMVbu7s2Kr08t6wa06SvKRHiRQZwP.png" alt="sycQEj48GqCQMVbu7s2Kr08t6wa06SvKRHiRQZwP.png"> 如何使用PWlink下载程序呢？首先打开Keil，再打开魔术棒，再Debug里面，我们选择第三个 "DAP",然后点击“ok”就行了。那为什么不用串口烧录呢？根据众多群友证明，N32的串口下载极不稳定！为了节省时间，便于调试。使用各种link来下载调试程序是最佳的选择。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/yy7C06Y16X2ViDDwpMKuIogJAU8pHMWeThKEdQCl.png" alt="yy7C06Y16X2ViDDwpMKuIogJAU8pHMWeThKEdQCl.png"> <h4>2.3 电压转换</h4> 基础版本的电压转换与官方案列选择的器件相同：XC6220，这款线性稳压器作为5v转3.3v的转换器。但是22uf的电容有点小贵，不介意器件数量的话其实可以换成两个并联的10uf电容。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/W1c4VVnOWyvTJlKbd4rWADpUkofnpu3AqWTBwXOA.png" alt="W1c4VVnOWyvTJlKbd4rWADpUkofnpu3AqWTBwXOA.png"> 进阶版本的电压转换选择了dcdc的降压方案，由于官方提供的dcdc降压芯片：BL9342，在官方案列提供的原理图的拓扑结构中，BL9342的启动电压在6v，但在触发快充的情况下5v可以启动这个芯片。所以为了不在快充情况下也能启动DCDC，这里采用了RT8259进行电压转换，在其典型应用电路中，电压输入范围为4.5v-24v，但在高电压的情况RT8259发热情况严重。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/yc94oe8a6MjxO8el5J6taMODNmG1pc7Afmgn7IUX.png" alt="yc94oe8a6MjxO8el5J6taMODNmG1pc7Afmgn7IUX.png"> <h4>2.4 电压采样</h4> 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。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/JgJzBDwoRLLzV0ediqmlRR4QQSU5eZcoYYusBYq4.png" alt="JgJzBDwoRLLzV0ediqmlRR4QQSU5eZcoYYusBYq4.png"> 由于在立创商城买90kΩ的电阻，错买成了390kΩ的电阻了。将程序中将VOLTAGE_FACTOR调整为4，解决问题。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/d35moOB9jXo6QKAgwH1mLpwz4d6vdQ8IsUCZ7IMd.png" alt="d35moOB9jXo6QKAgwH1mLpwz4d6vdQ8IsUCZ7IMd.png"> <h4>2.5 电流采样</h4> 官方推荐电流采样为INA199B1DCKR电流感应放大器，但由于立创商城缺货，在这里将其改为INA199A1DCKR，其各项参数与前者几乎相同，可以平替前者。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/xIqVYeGBmH8GNnI9n5vLgClMNBWzg4SbndCX0vzH.png" alt="xIqVYeGBmH8GNnI9n5vLgClMNBWzg4SbndCX0vzH.png"> 采样方式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。（复制于官方） 基础版本的采样电路： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ttmGKoaO0fGujurcyJMrZwcNZKGLcopCxY6d8dbx.png" alt="ttmGKoaO0fGujurcyJMrZwcNZKGLcopCxY6d8dbx.png" width="878" height="501"> 进阶版本的采样电路： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/c3WJXO0hfsk5NrNbg2fu1TFc0n1d08tmYHLdNIiP.png" alt="c3WJXO0hfsk5NrNbg2fu1TFc0n1d08tmYHLdNIiP.png" width="881" height="456"> <h4 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;">2.6 使用拨轮式旋转编码器选择PD诱骗电压</h4> 在这里选择拨轮式旋转编码器代替了传统的按键，其硬件电路如下所示。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/1SVsKmVTJ8wQv0Carz9z7zvK1NNid94BAhMgg7Ji.png" alt="1SVsKmVTJ8wQv0Carz9z7zvK1NNid94BAhMgg7Ji.png" width="308" height="352"> 根据数据手册可知，该编码器在转动时输出的波形跟霍尔编码器类似，所以在软件中采用中断比较电平的方式进行判断其的正转还是反转。经过实际测试，中断方式选择上升下降沿触发时编码器输出的结果较为稳定。 <h4><img src="//image.lceda.cn/pullimage/OILtI0JDYwFdkmePsF4zX1YOzDE5ThADGJWBJxQU.png" alt="OILtI0JDYwFdkmePsF4zX1YOzDE5ThADGJWBJxQU.png"></h4> 使用CH224K进行PD诱骗，CH224K具有集成 USB PD 等多种快充协议，支持 PD3.0/2.0，BC1.2 等升压快充协议，自动检测VCONN 及模拟 E-Mark 芯片，最高支持 100W 功率，内置 PD 通讯模块，集成度高，外围精简。集成输出电压检测功能，并且提供过温、过压保护等功能。可广泛应用于各类电子设备拓展高功率输入如无线充电器、电动牙刷、充电剃须刀、锂电池电动工具等各类应用场合。CH224K在高电压情况下发热较大，进行布局职意散热。 CH224K与MCU连接时的电平配置如下 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/kXx3VvOOvssDTugA7u7f9wGFJVvjDIu80kaIg1BP.png" alt="kXx3VvOOvssDTugA7u7f9wGFJVvjDIu80kaIg1BP.png"> CH224K的硬件电路如下所示： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/48eiwSfm5IMoi2vsLOxDxd30j5YZJb02hyOa6Hhn.png" alt="48eiwSfm5IMoi2vsLOxDxd30j5YZJb02hyOa6Hhn.png"> <h4>2.7 显示部分</h4> 基础版本采用0.91寸的oled白色显示屏幕。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/HYiHFN7qNvlL1oLQF7ya6BGqCaXLncejLsGBuzp3.png" alt="HYiHFN7qNvlL1oLQF7ya6BGqCaXLncejLsGBuzp3.png" width="266" height="132"> 显示效果： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/nyoL2WCLxYvEBmQR24JpUkgwkg0MHb0o8811UO6u.png" alt="nyoL2WCLxYvEBmQR24JpUkgwkg0MHb0o8811UO6u.png" width="397" height="184"> 进阶版本采用的是中景园0.96寸彩色lcd（插接版）无需外接电路，使用FPC0.5 8p连接器让屏幕跟PCB连接起来。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/mlvZ31hKIjvMbaDXwxDsywL10pTnIflE2fQxcZl1.png" alt="mlvZ31hKIjvMbaDXwxDsywL10pTnIflE2fQxcZl1.png" width="178" height="259"> 显示效果： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/U8vGYDsgRviO8dC4CCDcUYeOUtPlqtSzzS0fLz9f.png" alt="U8vGYDsgRviO8dC4CCDcUYeOUtPlqtSzzS0fLz9f.png" width="521" height="304"> <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、软件部分</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2">基础版本的软件可直接使用官方提供的demo。 进阶版本的软件，在官方提供的demo上进行改动，改动点：1.使用拨轮式旋转编码器选择PD诱骗电压。 2.增加查看电流，电压，功率变化曲线的功能。 <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、展示图片</h3> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/yMuiU8O3HrSeL6b5LQLOADkWpq6TJLN0bhU382xf.png" alt="yMuiU8O3HrSeL6b5LQLOADkWpq6TJLN0bhU382xf.png" width="528" height="203"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/CbBoXk03bdmRGO5PO8njOoF6ZShIu77whtkwTBZY.png" alt="CbBoXk03bdmRGO5PO8njOoF6ZShIu77whtkwTBZY.png" width="529" height="239"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/mawtl6zv8gpPYkcsodbIzsoWM9iJtbaIQxgB7iy1.png" alt="mawtl6zv8gpPYkcsodbIzsoWM9iJtbaIQxgB7iy1.png" width="541" height="272"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/XiU0P1JQpOQpdd9Rcl46awXkhnuKdHdggDwD2X8R.png" alt="XiU0P1JQpOQpdd9Rcl46awXkhnuKdHdggDwD2X8R.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/sWDAh77sWIVe2cyrP7tfap9DI9uNY49A5LLkgvxC.png" alt="sWDAh77sWIVe2cyrP7tfap9DI9uNY49A5LLkgvxC.png" width="608" height="384"> <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;">5、说明</h3> 基础版5v版本已经验证完成，进阶版本第二代由于快递问题无法结营时完成，所以现在先上传5v版本跟进阶版一代的视频（由于上电没法启动dcdc进阶只上传调试视频），后面第二代后再上传工作时的视频。 最后感谢立创EDA与国民技术。 官方原工程参考：<a href="/limengmeng12345/ji-chu-ying-usb-dian-ya-biao" target="_blank">【训练营官方案例】USB电流表 - 嘉立创EDA开源硬件平台 (oshwhub.com)</a> 此次电流表项目总结：1、电流表硬件设计上关于元器件的选型，PCB布局存在问题。 2、第一次焊接48pin的器件，简简单单。 3、软件上第一次使用了国产32位单片机，积累了一定关于32位单片机的知识。 4、软件问题突出，需加强学习c语言。 <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;">5、更新说明</h3> 进阶版本二代已经验证完成，上传该代程序。 PS:1、该版本存在硬件上的瑕疵，正常插入不能触发华为手机快充，可能是存在虚焊。 2、程序上功率曲线显示上面存在跑飞现象，其他曲线显示未出现，源码已上传求大佬指点！！！ 3、PD诱骗功能未验证。 二代照片 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/4rqkdr5uf8VgcZiChdeSclcd2OOeI6RpsOVzd10t.png" width="635" height="247" alt="4rqkdr5uf8VgcZiChdeSclcd2OOeI6RpsOVzd10t.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/eYMEcuCUBe3F0qKuChyJChRXjjc8eLWvoX2bbOw9.png" alt="eYMEcuCUBe3F0qKuChyJChRXjjc8eLWvoX2bbOw9.png"> </div>