兼测3.5mm耳机的cw32电压电流表

概述

要说玩电，还有什么比超电磁炮更搭的设计呢？深度定制的“とある科学の电压电流表（ＣＷ３２）”logo与御坂美琴帅气的放电pose构成了本作的灵魂面板。同时考虑到经济因素，拼版了多款不同外观（科技以换皮为本嘛）

功能上实现了电压电流测试/测试值标定/分压法测电阻/3.5mm耳机功能测试几大部分。功能设计上主要是如下考量：

1. 电压电流测试和测试值标定是活动的主要方向，不解释

2. 分压法测电阻精度并不高，并且精度是随待测物阻值大小不同而发生变化的，但是贵在设计简易，后续用于扩展外部配件扩展（如光敏二极管探头用于照度、光源flicker、紫外线强度等）。

3. 3.5mm耳机测试包含了耳机open检测、按键功能检测、Standard（美标）/ OMTP 线序检测，原理上比较简单但是我没有见过相似的东西，是我在此案中最想实现的功能。

 

操作方面key1 标定通道切换，key2 标定，key3模式切换（测试模式切换和标定y值切换复用），参见以下流程图：

 

 

外观设计

 

外壳使用立创eda速学速成，虽然新手上路设计上存在一些瑕疵，但是基本没有翻车。

除正面开孔外，侧面也引出了丰富的接口，dc插口、USB供电接口、5v/3.3v/adc/电阻量测/spi/串口均有引出，甚至还设计了一个3.5mm耳机口用于测试3.5mm耳机！

功能特色

1. 使用cw32 adc转换序列的全部4个通道同时采集和读值；

2.一屏内同时显示adc平均值、瞬时值、标定后的量测值，方便直接调试和确认；

3.使用反色标记量测值接近和超出量程，使用`-0`标记量测值低于标定的下限（由于电路未设计读取负电压，因此如果计算出负值是错误的）

4. 显示帧序列和帧率信息

5. 标定快捷、明了。使用key1 切换模式 （1:普通  2:3v电压量程 3：30v电压量程 4:电流 5：以电压读值的模式显示电流），使用key3切换标定点；标定时按下key2 adc直接设置成功并显示新值；模式、标定x、标定y对应显示在左方、中间、右方，并且使用等号相连，非常直观。

（按下key2后量测值实时应用更新）

6. 阻值量测功能（图示分别为接入电阻/open/short)

 

6.  3.5mm耳机电气测试（图示分别为耳机未插入/插入/按下线控按键），通过为耳机加载dc电平判断耳机是否插入、音频单元是否断线、耳机按键按下的状态、耳机是否包含mic、耳机线序标准

 

 

电路设计

示例教程相同的部分不再赘述，主要做了如下调整：

1. 使用I2C OLED屏幕，丰富内容显示和调试，同时节约了大量io，从而有机会引出其他功能pin

2. 除电压量测、电流量测、参考电压量测外，增加了不经过分压adc直接读值、串联电阻分压法测电阻（实际我焊接的电阻使用了100k/510ohm，与原理图有差异，注意需修改代码中的阻值常量）

由于电阻量测必须对器件进行供电，考虑到功耗问题不能使用太高的供电电压, 因此在不增加放大电路的前提下, 无法像电压量测电路一样同时使用两路ADC进行处理;最简易的办法就是使用开关切换串联分压电阻,人工读取当前分压电阻对应的阻值读数. 当然如果进一步完善,可以使用模拟开关芯片控制或者使用gpio比较之类的方法感知当前选择的分压电阻,但是当前方案也不是不能接收,毕竟示波器的10x探头不也是人工设置的嘛?分压法测电阻本质是为未来做光敏二极管探头做预留.

经过后期测试验证，发现直接测电阻存在一定波动，需要修改电路为adc增加滤波电容。

3. 设计了3.5mm耳机测试电路，可以用于测试耳机断线、4段式耳机制式、线控按钮功能。原理图使用了直接标注线路网络的方式，省略了4个adc的网络输出标签

测试原理参考Android  3.5毫米耳机：配件规范 

此功能在电路设计阶段仅粗估了可行性，没有进行详细的功能设计，依赖算法控制gpio输出高低电平进行测试和验证。四路gpio均串接2.2k电阻分压，使用对称的电路方便比较和计算。这样的做法提高了设计效率，保留了验证和调整空间。

设计时依最坏情况分析：

a. 对gpio电流预估，3.3v接入一个有功能发声的耳机，每个端子串联2.2k电阻，输出电流小于1.5ma是安全的。

b. 对音频单元功耗预估，当音频单元阻值高于1k时，测试回路功耗u^2/r<3.3*3.3/(2.2k+1k)=3.4mW ;当音频单元阻值低于1k时，测试回路功耗I^2*R<1.5/1000*1.5/1000*1000=0.00225mW, 均低于音频单元的常规功耗，因此对耳机来说也是安全的。

 

经过实物验证，使用了t、r1输出高电平，r2、s输出低电平，使用adc一次性读取每个2.2k电阻的电压，直接比较adc读数判定耳机的方案。

测试原理简化如下：

 

由于供电电压并不稳定，输出电压本身有波动；adc也缺少滤波电容，采集到的数据有较大波动并不漂亮，后续可以对电路做如下调整（但是目前实测能稳定快速的判断，因此也可以完全不改动）：

1. IO_T/IO_R1改为接一路单独的ldo，IO_R2、IO_S改为直接接地
2. Adc引脚增加滤波电容

4. 通过二极管链接USB，避免同时插入dc插头和USB时对USB倒灌电流损坏设备。

 

 

程序设计

1. 经过调试验证发现OLED屏幕刷新速度较慢（使用了软I2C每次均刷新整个屏幕，帧率为10fps），并且这样的刷新速度实测人眼可正常阅读。因此程序设计为主函数全速刷新显示内容，每次循环获取一次adc信息并完整绘制整个屏幕。

2. 使用定时器每1ms获取一次adc数据（4个通道）同时从数字通道读取按键状态。使用if条件和模式变量，判断是否需要切换工作的adc（cw32转换序列最多4个通道，此项目使用了8个通道，因此必须切换通道）、调节gpio输出、保存校准参数

3. 使用多段函数标定，包含0和1.由于没有设计量测负电压的功能，当ADC读数低于0时，显示-0。

// 标定的y的值
u8 *adj_names[][4] = {
    {   (uint8_t*)"=0mV",
        (uint8_t*)"=500mV",
        (uint8_t*)"=1.0V",
        (uint8_t*)"=2.5V"
    },
    {   (uint8_t*)"=0V",
        (uint8_t*)"=1V",
        (uint8_t*)"=10V",
        (uint8_t*)"=20V"
    },
    {   (uint8_t*)"=0mA",
        (uint8_t*)"=500mA",
        (uint8_t*)"=1.5A",
        (uint8_t*)"=3A"
    },
    {   (uint8_t*)"=0mV",
        (uint8_t*)"=50mV",
        (uint8_t*)"=150mV",
        (uint8_t*)"=300mV"
    },
};

使用(x1, y1) (x2, y2) 两个座标点拟合直线，利用标定值转换adc读数为国际单位计量值

float calib_value(uint16_t adc, uint16_t next_cali_index, float y1, float y2 ) {
    return (y2 - y1) * (adc - cali[next_cali_index - 1]) / (cali[next_cali_index] - cali[next_cali_index - 1]) + y1;
}

4. 测试值根据数值大小自动转换为mKM单位，并根据测试精度保留有效位数。为避免测试值超量程，接近上限时使用反色显示测试结果。

 

5. 标定。改为13个数据，读取标定时直接读取到全局变量数组；标定保存函数改为保存后重新从flash读取标定值，确保保存的有效性。

 

// 读取标定结果
void read_vol_cur_calibration(void)
{
    flash_read(0, cali, 13);

 

    if(cali[0] != 0x88) //还没校准过时，计算理论值，并存储
    {
        cali[1] = 0;
        cali[2] = 4096 * 0.5 / 3;
        cali[3] = 4096 / 3;
        cali[4] = 4096 * 2.5 / 3;
        cali[5] = 0;
        cali[6] = 4096 / 1.5 / 23;
        cali[7] = 4096 * 10 / 1.5 / 23;
        cali[8] = 4096 * 20 / 1.5 / 23;
        cali[9] = 0;
        cali[10] = 4096 * 50 / 1500;
        cali[11] = 4096 * 150 / 1500;
        cali[12] = 4096 * 300 / 1500;
    }
}

 

// 保存标定结果
void save_calibration(void)
{
    cali[0] = 0x88;
    flash_erase();
    flash_write(0, cali, 13);
    read_vol_cur_calibration();
}