USB充电检测仪-2.USB充电检测仪硬件设计

本系列文章的最终目标是制作一个USB充电检测仪，支持的功能：

• 显示USB充电电压、电流、功率、充电量（单位WH）；
• 实现Typec口和USB-A口的相互转换（仅支持USB 2.0）；

当然网上有很多卖这种东西的，嫌麻烦的用户可以直接买成品。本文重点在于制作过程，接下来将分几篇文章介绍USB充电检测仪的制作过程。

文章链接：

• USB充电检测仪-1.USB充电检测仪外观
• USB充电检测仪-2.USB充电检测仪硬件设计

PCB图

硬件上要求支持：

1. USB-A输入输出：大部分安卓手机的充电线一边是USB-A口，另外一端是typec接口，满足一般应用场景；
2. TypeC输入输出：Typec输入端为公口，可以直接连接Typec类型的充电器，输出端为母口。
3. USB-A、Typec混合输入输出：可以是USB-A输入、Typec输出；也可以是Typec输入、USB-A输出。

PCB板设计如下

输入输出端口自不必说，这里有个【独立按钮】，此按钮在使用Typec输入、USB-A输出时使用。由于Typec协议要求，直接将充电检测仪插入到Typec的充电头上后，可能不会通电，此时可以长按【独立按钮】待Typec正常供电后，松开按钮即可。

PCB正面图：

PCB反面图：

原理图

完整的原理图：

MCU选择

原理图上的MCU使用的是STM32F103C8，而我手上只有STM32F051C8芯片了，所以就直接使用STM32F051C8了。两种芯片相比，只有4个引脚不一样，参考下图：

为了兼容，我这里直接将36脚连接到VDD，35号脚连接到GND，当使用F103时，直接将两个引脚设置为输入模式就可以了，这样从硬件上，两个芯片就完全兼容了。

Typec输入配置

USB Type-C 接口共有 24 个引脚，采用对称设计（正反插均可工作），下面是Type-C母头引脚定义（手机/电脑端均为母头）：

其中CC1和CC2用于检测插入方向、模式协商（USB PD协议关键引脚），用于识别设备类型（Host/Device）、功率协商等。

按照Typec接口规范要求DPF（Sink）端需要在CC引线上配置Rd电阻后，UPF端才会正常供电（关于Typec协议，有另外一篇文章单独说明，这里仅对用到的知识做大概的介绍），也就是，如果期望Typec插入到充电器上后能开始供电，必须配置好Rd电阻才行。

Rd电阻值要求参考下图，使用最低10%精度的5.1K的电阻：

接下来回到原理图。

USB1是Typec公口，插入到Typec充电上。USB2是Typec母口，对外提供电源，两者的CC1和CC2是直连的：

另外，为了给CC线上提供下拉电阻，在CC2和GND之间串联了一个按钮和一个5,1K的电阻。设备连接到Typec充电器上后正常不供电，此时用户可以按下按钮，此时将在CC2上加上一个5.1K的电阻，UPF端检测到此电阻后，将在VBUS上提供电源，单片机能够正常供电。

按钮和电阻的连接点接到到单片机的ADCCC2引脚，单片机上电后测量此引脚电压，如果小于0,1V则证明是通过下拉CC2线启动，此时将ADCCC2引脚转为输出模式，并输出0。接下来用户松开按钮后，此下拉电阻依旧生效，从而实现了从Typec上取电的能力。

测量电流

电流测量电路如下：

采样电阻使用两个0,13欧姆的电阻并联（我手上刚好有这个阻值的电阻），两个的电阻并联后最大功率是0.5W。如果充电电流为2A，那么两个电阻的功率为0.26W，一般来说没有什么问题。

即便是以2A的电流充电，在2个0,13欧姆并联的电阻上产生的压降依旧很小，所以这里需要增加放大电路。放大电路采用轨到轨的运算放大器LMV321，放大倍数为14倍。

以2.5A为例，放大后的最大电压为：

2.5*（0.13/2）*14 = 2.275V

满足要求。

测量DP/DN引脚电压

USB DN/DP引脚电压范围为 0~5V，而STM32F系列单片机，ADC最高电压为3,3V，所以不能直接测量这两个引脚的电压。

接近办法也必将简单：使用分压电阻。为了避免电阻对USB协议产生影响，电阻值应尽量大，这里使用了2个300K的电阻串联分压。

测量温度

增加热敏电阻测量充电过程中的温度。热敏电阻采用3950 100K，分压电阻使用62K。根据分压值就可以测量出热敏电阻阻值，从而计算出温度值。

LCD显示屏

我用的是一个0.96寸 128x64 的TFT显示屏，驱动器为ST7735（并口）。我手上刚好有这个显示屏，此显示屏非常古老，现在不一定能买到。

LCD引脚定义如下：