作为调试的“得力干将”，万用表有时候也会存在一些缺点和局限性，比如：体积较大不便于携带、无法直接反应逻辑电平情况而需要自己判断、不同型号万用表的通断档位阈值电阻不同等等，而最令人头大的，莫过于万用表的COM表笔通常需要接地，而pcb上可能没有直插孔位可以方便的固定笔尖，因此不得不用手辅助“黑表笔“，影响操作灵活性。

因此我在2022年时设计了“逻辑电平测试笔“，针对常用的3.3V和5V的TTL电平进行快速测量，在当时我就决定了做一款”升级版“，时间转眼来到了2023年，我对这支测试笔的构想在脑中逐渐完善，在” CW32生态社区“的支持下我决定将这一设计变为实物。

二、初步构想

对于这支测试笔，我对他的功能有以下期望：

1、电压测量+阈值判断，阈值电平可以根据需求自行设定满足不同逻辑电平的场景，并且保留“简易逻辑电平测试笔“好用的红绿灯提示功能；

2、通断测量，且阈值电阻可以根据需求调整（这可是在葫芦客上千元的万用表中才有的功能，我也要给我的测试笔加上）；

3、二极管测量，导通电压测量，并且点亮一颗二极管（注意！不是三极管！！！）；

4、PWM输出，方便在一些场景下提供一个已知量对系统进行测试，也可以对无源蜂鸣器等进行测试

5、PWM输入，可以对频率进行测量（甚至是对串口等数据进行简单的解码显示等功能，不过目前技术有限还没有实现）

6、直流输出，模拟出一个需要的直流电平进行测试（感谢李老师提出的这个需求，我在使用中发现非常的实用）

7、可以连接扩展板进行配合测量（也欢迎大家提供扩展模块的思路）

同时，我也计划将本项目开源使更多的人用上他，或根据自己的需求进行改版再设计，因此我还额外注意了以下几点：

1、限制PCB长度在10cm以内，使大家可以在嘉立创“白嫖”PCB

2、阻容元器件均使用0603封装，LED使用0805封装，便于自己制作时进行焊接（一方面是很多人会觉得0402元器件比较难焊接，另一方面是0402元器件基本上都没有丝印，自己焊接如果焊错了会很难检查）

3、项目会尽量控制成本（很多时候给自己做东西会为了精度或者外观而增加较高的成本，为了方便大家复刻本项目会尽可能找到功能和成本的平衡）

三、电路模块设计

在对测试笔进行设计时，我把整体分为了五个部分：

模拟前端

电源与电池管理

单片机及外设

显示屏

人机交互（不包括显示屏的其他交互）

根据模块化的设计思路，我们可以在画电路图时更加有条理，也可以在进行PCBLayout时将布局按照模块进行大致区分，以便于进行走线等操作。

本项目的电路模块设计是一种很常见的模数混合电路的设计，可以适用于许多类似的项目。

在电池管理、电源、单片机等电路模块中，本项目会尽量采用标准化设计，提升项目电路图可阅读性与可继承（复制）性。

四、电路设计

我们根据需求对每个部分进行细化设计，来实现既定目标。

在下面，将会结合电路图和PCB对我的设计和设计思路进行详细的说明。

1、电源与电池管理

1.1 充放电管理

在充电ic部分我选择了常用的TP4057作为主控，电源输入采用了最常见的Type-C接口，虽然在本项目中实用6P接口就已经足够，但考虑到项目扩展性，因此选择了16P接口，并借用了Type-C接口中的SBU1、SBU2引脚进行扩展板连接，之所以没有使用D+D-作为扩展线路，是因为考虑到设备的输出信号可能使得充电器误判，从而发出错误电压造成危险，这在设计中是需要考虑到的。

2、单片机及外设等

2.1 CW32单片机核心系统

标准的单片机核心系统配置，其中因为本项目不需要用到高精度时钟和低速晶振进行长时间计时，因此则省略这部分电路（这边画了，但是设置为不需要转入PCB、不导入BOM，主要是为了别的项目在使用时可以直接复制使用，主打一个CV工程师。

本项目不使用bootloader烧录，因此BOOT引脚直接拉低（标准画法可以参考被注释的部分，本项目的PCB面积较为紧张，就直接接地了）。SWD接口为PA13、PA14，本项目中通过1.0间距的排针引出，不过在实际使用中不需要焊接排针，只需要使用探针（项目工程里有探针的转接板）顶住接口就可以进行下载。排针引出接口包括SWD、RST、MCUVCC等，方便进行调试（PCB上的复位按键不能SMT焊接，因为贴片焊盘和排针直插焊盘复用，回流焊会漏锡造成虚焊甚至短路！复位按键的设计是为了在烧录完成后，确定不会再烧录的情况下焊接，既可以挡住排针的孔（没错，我有强迫症），也可以当作复位按键使用（仿佛说了一句废话），即使不焊接也可以使用镊子等金属物品短接RST和GND孔洞进行复位操作。

2.2 用户操作输入

本项目的用户操作部分使用了一颗五向摇杆开关，可以理解等效为五颗普通按键开关，编程起来也是作为普通按键即可。

不同方向的摇杆开关对应的功能会在程序部分进行说明，此处不做赘述。

2.3 显示屏

本项目采用了一块0.96寸TFT显示屏，显示屏分辨率80*160，采用ST7735显示驱动芯片，通过FPC与PCB焊接进行连接，通过SPI接口进行通信。

2.4 其他人机交互

如上图所示，多功能测试笔有一红一绿两颗LED用于电平指示，其中绿色用来指示低电平、红色用来指示高电平（焊接时需要注意LED的颜色），两颗LED与MCU的连接均为灌电流模式（注：LED和显示屏同时起作用，其中LED作为快速指示灯，方便用户通过余光就能确定当前的状态）。

一颗无源蜂鸣器用于额外的指示（比如通断测试），增强用户感知。需要注意的是此处使用的是无源蜂鸣器，不能使用有源蜂鸣器（那么小体积也没有常规的有源蜂鸣器）。

需要注意的是，我在蜂鸣器供电中串接了一颗200Ω的电阻来限制电流，如果在实际使用中你觉得蜂鸣器提示音太轻或者太响，可以更换此电阻，但不能将阻值设计的太小，否则会因为过大的电流拉低系统电压，从而引发异常！

还有一颗侧贴的LED作为笔尖照明灯，方便在机壳内部等较为昏暗的场景进行测试，可以根据需要更换限流电阻来设定自己需要的亮度。

2.5 BLE蓝牙

为了方便测试笔与电脑或手机连接，我选择使用蓝牙BLE技术进行无线数据传输。

之所以不使用更加常用的CH340等串口转USB直接连接，主要有以下三点考虑：

① 数据线有一定的重量和硬度，需要拖着数据线操作会不如无线时灵活；

② 不建议一边插着数据线一边使用，会让表笔的浮地变成接地，进而可能在测试时造成短路（具体原因在模拟电路章节会分析）

③ 最重要的一点：安全因素！如果因为操作失误造成测试笔输入一个较高的电压，并且防护电路时效造成单片机烧毁，那这个高压极有可能沿着数据线直接输入手机或电脑，造成严重的损失！

3.1 模拟前端基本设计

虽然本项目不是要做一个10G的示波器（而且我目前也做不出来），但模拟前端的设计思路都是类似的，即：我会采集什么养的信号，和我的设备会采集什么样的信号，如果觉得这不好理解，那我打个比方，我会听到英语，但我只听得懂中文，所以：我需要一个翻译器，那么这个翻译器就是我们需要的“模拟前端”。

那我们回到测试笔这个项目，我对系统的设计目标是这样的：可以采集0~+15V的信号，能够输出0~+5V的信号，OK，这就是最基本的需要实现的目标，是不是非常简单呢。

但是本项目有一个特殊的情况：我想要完成在一根表笔上完成输入输出的全部功能（我这种人一看就是一个变态甲方），那就需要对输入、输出、或其他情况进行切换。这时候有聪明的小伙伴肯定马上想到了：继电器，是的，继电器确实在这样的场景下十分的好用，但是他又带来了另外一个问题：体积，而本项目作为一支便携式测试笔，我自然是不想把设备做的太大的（太大了用起来也不方便啊），那继电器在这样的情况下就不那么适用了，因此我们需要请出另外的切换器了，他就是模拟开关。

3.2 模拟电路电源

根据我们选用的HT4053A，其最大工作电压为18V，为了留出一定的余量，我将系统电压设计在17.5V，由于前级电压为电池直接供电，电压约为4.2V~3.5V，因此我们需要一个升压电路为模拟前端进行供电。

在芯片选型时，我选择了常用的MT3608芯片，2A的输出电流足够使用，并且1.2MHz较高的开关频率也有助于后级进行滤波。升压电感为一颗4.7μH的电感，SMD252010P的迷你封装（2.5*2.0*1.0mm）有助于节约PCB面积（也比较的好看），但是其虽然体积娇小，也有着1.6A的额定电流和2A的饱和电流，足够系统使用。在分压电阻配置方面，虽然看似随意，但也有一定讲究，不合适的配置将影响电源输出电压的纹波和负载调整率等性能，但因为篇幅限制，在此不做赘述，感兴趣的同学可以自行查阅相关资料进行学习。

需要注意的是本项目未使用双电源供电，即只有正电源没有负电源，因此测试笔也只能输入/输出正电压信号，如果需要输入负信号，后级电路也会需要进行一定的修改，本项目出于对体积的考虑，最终决定采用单电源方案。