
#第七届立创电赛#USB电流表
简介
基于N32G40C8L7+INA199A1制作的USB电流表,精度可达到1%。该工程分为两个版本,一个版本为官方基础的5v版本的改动,支持快充。另一个是4.2v—24v的改动版,支持pd诱骗和快充。
简介:基于N32G40C8L7+INA199A1制作的USB电流表,精度可达到1%。该工程分为两个版本,一个版本为官方基础的5v版本的改动,支持快充。另一个是4.2v—24v的改动版,支持pd诱骗和快充。开源协议
:GPL 3.0
描述
1 项目功能
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!
2 硬件部分
2.1 N32最小系统
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。
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。
2.2 烧录接口
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。
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。
2.3 电压转换
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。
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。
2.4 电压采样
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。
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。
2.5 电流采样
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。
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)
进阶版本的采样电路:
2.6 使用拨轮式旋转编码器选择PD诱骗电压
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。
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。
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
CH224K的硬件电路如下所示:
2.7 显示部分
基础版本采用0.91寸的oled白色显示屏幕。
显示效果:
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。
显示效果:
3、软件部分
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。
4、展示图片
5、说明
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:【训练营官方案例】USB电流表 - 嘉立创EDA开源硬件平台 (oshwhub.com)
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。
5、更新说明
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
设计图

BOM


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