基于芯源半导体MCU cw32芯片制作 USB电压电流表

1万 · 2024-11-5 14:24

1、项目功能介绍
基于芯源半导体MCU cw32芯片制作 USB电压电流表

基于芯源半导体MCU cw32芯片+INA199芯片制作 USB电压电流表，精度1%。可以检测电流、电压、功率，并且通过0.91 oled显示出来。本USB电压电流表为宽电压设计，支持4.2V到40宽电压输入，相比较于传统4.2V-40V稳压芯片有更多的好处。还使用芯源半导体MCU cw32芯片充当整个核心检测和控制整体电压电流数据。并使用德州仪器的INA199B1DCKR电流感应放大器芯片检测电流传给单片机，使用高精度低温漂电阻增加精确性和稳定性。

系统结构图

PCB结构图

1.1电流采样

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：

1.共模范围：–0.3V至26V

2.偏移电压：±150μV（最大值）

3.支持 10mV 满量程分流压降

4.静态电流：100μA（最大值）

1.2采样电阻选择

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。

1.3 PCB原理图

1.4 原理图

2. USB电压电流表系统原理

2.1 3.3V降压电路

使用上海贝岭的BL9342 DC-DC电源芯片，将输入的4.2V~40V降压成3.3V电压供给给MCU使用。

之所以使用BL9342 DC-DC电源芯片而不使用常用的AMS1117线性稳压器是因为常用的AMS1117这款芯片推荐的最佳工作环境输入电压最高15v/1A，不满足现在日益增长的手机快充功率，电压与电流直线飙升.所以不推荐此款芯片。而从BL9342这款芯片芯片手册得知此款芯片支持4.2V~40V的宽电压输入正好适合本产品。

2.2 电压采样电路

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，电压的采集是我们进行电路设计常常用到的，具体的采集类型上又分为直流采集和交流采集，将源电压通过一系列的电路设计，最终通过AD（数模转换芯片或单片机内部AD）读入单片机，并执行相应的决策，是我们大多设计的要求。

而此电压采样电路在实际实验中，未使用高精度电阻情况下，adc采集到的电压也非常准确，接近正常值，在使用高精度电阻后达到预期效果

使用板子自带的3.3V电压输入进行采集时，显示3.4误差0.1v在环境简陋情况下有如此成绩，达到要求

2.3 电流采样电路

本电路中应用了一个电流感应放大器，能准确测量电流感应电阻在共模电压下产生的电压。R2的0.01欧电阻为高精度电阻，并通过芯片测量后将数据通过VUT_OUT信号线传输给单片机处理

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。

2.4 OLED屏电路

显示部分的是使用的是0.91寸4P的白色OELD屏幕模块，采用IIC通信，显示效果清晰。其显示取模：

显示模块主要应用了I2C这种半双工通讯，把数据传输给OLED屏幕然后实时显示电压电流功率数据

3. USB电压电流表系统应用

3.1 电压电流测量应用

通过使用校准过的量产电压表的测量发现纯在轻微误差，通过万用表测量发现误差比实际小，检测发现是两个表同时测量，量产电压表先使用的一部分电压，后传输到DIY电压电流表上，使得误差变大，实际差别不大

直接使用电压电流表时

经过快充充电器与5V/1A充电器测试过后，产品可以适用于大多数手机充电时检测电压、电流、功率的使用，可以实时了解充电功率。拥有宽电压的特点，不在局限于老式手机的5V/1A的充电，适用设备更加广泛，本方案也存在缺点，暂无较好的保护电路，完全使用充电器原本保护电路。

未进入快充

*4、硬件部分
正反面PCB走线图：
应加大采样电阻区域线宽、电源部分走线也应尽量粗增加过电压、电流的能力
GND部分大面积铺地和大量过孔确保回路过流能力强

3D布局

实物展示