#第七届立创电赛# 基于N32G430C8L7与INA199的USB功率计设计与实现

手把手教你做一个USB功率计基于N32G430C8L7与INA199最近在捣鼓一些USB设备总想知道它们到底吃了多少电是5V 1A还是能触发快充市面上现成的USB功率计要么太贵要么功能单一。正好借着立创电赛的机会咱们自己动手做一个这个项目用到了国民技术的N32G430C8L7单片机和TI的INA199电流检测芯片成本不高但能精准测量USB端口的电压和电流。无论你是电子竞赛的学生还是想入门嵌入式硬件的爱好者跟着这篇教程走一遍你不仅能得到一个实用的小工具更能把电流检测、ADC采样、国产MCU开发这些知识点都摸一遍。1. 项目整体思路它到底是怎么工作的在动手画板子、写代码之前咱们先得把整个项目的“骨架”搭起来知道信号是怎么跑的。这样后面遇到问题才知道从哪里下手调试。这个USB功率计的核心任务就两个测电压和测电流。它的工作原理可以想象成一个“间谍”串联在USB供电线上在不影响设备正常用电的前提下偷偷读取线上的电压和电流信息。测电压相对简单。USB端口的电压通常是5V通过一个电阻分压网络把高压比如5V按比例降低到单片机ADC引脚能安全测量的范围比如3.3V以内然后送给单片机去计算。测电流是重点和难点。我们不能直接把电流表串进去那样会引入额外的电阻影响供电。这里用了一个聪明的办法——采样电阻电流检测放大器。采样电阻在USB的电源正极VBUS通路中串联一个阻值很小通常是毫欧级别的精密电阻。电流流过这个电阻时会在电阻两端产生一个微小的电压差U I * R。电流检测放大器INA199这个微小的电压差可能只有几毫伏到几十毫伏太小了直接给单片机的ADC测量精度会很差而且容易受干扰。INA199的作用就是把这个微小的差分电压精准地放大几十倍或上百倍变成一个单片机ADC容易测量的、以地为参考的电压信号。最后单片机N32G430C8L7内部的ADC模块分别读取代表电压和电流的模拟电压值通过计算转换成真实的电压伏特和电流安培再通过LCD屏幕显示出来功率瓦特自然也就知道了P U * I。整个系统的框图如下USB输入 - [采样电阻] - [INA199放大电流信号] - [MCU ADC] - [电阻分压检测电压] - [MCU ADC] - [LCD显示]有了这个宏观认识咱们再来细看硬件怎么搭。2. 硬件设计详解从原理图到PCB硬件是整个项目的地基这部分设计好了后面软件调试会轻松很多。咱们主要关注三个核心部分电流检测电路、电压检测电路和MCU的供电。2.1 核心芯片选型与介绍主控MCU国民技术 N32G430C8L7这是一颗基于ARM Cortex-M4F内核的国产单片机性价比很高。它内置了12位精度的ADC正好满足我们测量电压电流的需求。它的工作电压是2.0V-3.6V典型值是3.3V所以我们需要一个稳定的3.3V电源给它供电。电流检测放大器TI INA199这是本项目的“明星器件”。它是一款高侧High-Side电流检测放大器意思是它的采样电阻是串联在电源正极VBUS通路里的而不是负极GND。这样做的好处是不破坏系统的地平面。INA199有固定的增益可选比如50V/V 100V/V我们根据采样电阻和最大待测电流来选择合适的增益型号确保放大后的输出电压在MCU的ADC量程内。2.2 电流检测电路设计这是硬件设计的核心。咱们以INA199A1增益50V/V为例来讲解。采样电阻Rshunt的选择 这是一个精密电阻阻值通常在1毫欧到100毫欧之间。选择它需要考虑两个矛盾的因素精度阻值大同样的电流产生的压差大测量更精确。功耗与影响阻值大电阻自身的功耗I² * R也大发热严重更重要的是它会在供电通路上产生较大的压降可能影响被供电设备的正常工作。 对于USB功率计测量电流通常在0-3A左右。假设我们选一个50毫欧0.05Ω的采样电阻。当流过3A电流时压差为 3A * 0.05Ω 0.15V150mV功耗为 3² * 0.05 0.45W需要选用功率至少为0.5W的电阻。INA199外围电路 INA199的电路连接非常简洁。它的IN和IN-引脚分别接在采样电阻的两端用于检测微小的差分电压。REF引脚接一个参考电压这里我们直接接地0V意味着输出信号是以地为基准的。 根据数据手册输出电压公式为Vout (Vshunt * Gain) Vref代入我们的例子Vshunt最大150mV Gain50 Vref0V。那么最大输出电压 Vout 0.15V * 50 7.5V。注意这里就出问题了我们的MCU ADC只能接受最高3.3V的电压。7.5V远远超过了会烧坏ADC引脚。 所以我们需要重新计算要么换用更小增益的型号如INA199A3 Gain20要么减小采样电阻阻值要么限制最大测量电流。假设我们换用INA199A3Gain20那么最大Vout 0.15V * 20 3.0V这就安全地落在3.3V量程内了。 实际设计中一定要根据你的最大测量电流反复核算这个输出电压范围。2.3 电压检测与MCU供电电路电压检测电路 USB的VBUS电压标称5V通过两个电阻分压后送入MCU的ADC引脚。分压比的计算要确保输入电压最大时考虑快充可能到20V分压后的电压不超过3.3V。 例如选用R110kΩ R23.3kΩ。分压比 R2 / (R1R2) ≈ 0.248。 当VBUS5V时ADC输入电压 5V * 0.248 1.24V。 当VBUS12V快充时ADC输入电压 12V * 0.248 2.98V仍然安全。 为了稳定和抗干扰通常在ADC输入引脚对地加一个0.1uF的滤波电容。MCU供电电压转换电路 原文提到因为N32G430C8L7工作在3.3V且本项目只测小电压电流所以使用了一个LDO低压差线性稳压器从USB的5V降压到3.3V给MCU供电。这是一个非常重要的设计点LDO如AMS1117-3.3简单可靠纹波小。但它有压差要求输入电压必须比输出电压高出一个值比如0.8V-1.2V才能稳定输出。这意味着当USB电压较低时LDO可能无法输出稳定的3.3V导致MCU工作异常。 原文作者也指出了“如果需要测快充的话需要更改电压转换电路以确保电路能够正常工作。”因为快充电压可能高达20V普通的LDO可能无法承受这么高的输入电压或者效率极低、发热严重。这时就需要考虑使用DC-DC降压开关稳压器它效率高输入电压范围宽但电路稍复杂纹波稍大。 对于初学者从5V USB取电用LDO方案是完全可行的。2.4 PCB设计注意事项在立创EDA上画板子时有几点要特别留心电流路径采样电阻到INA199的IN和IN-的走线要尽可能短、对称、等长并采用开尔文连接Kelvin Connection即用单独的走线从采样电阻的焊盘上引出信号而不是直接在承载大电流的走线上取样。这能避免大电流在走线电阻上产生的压降干扰测量。模拟地与数字地虽然本项目对精度要求不是极端高但良好的习惯是将INA199及其滤波电容、ADC分压电阻的网络连接到一片干净的“模拟地”MCU和其他数字部分连接到“数字地”然后在电源入口处或MCU下方用0欧电阻或磁珠单点连接。电源滤波在MCU和INA199的电源引脚附近务必放置一个0.1uF的陶瓷电容进行高频去耦再配合一个10uF的电解或钽电容进行低频储能。3. 软件编程实战让MCU“看懂”电压电流硬件焊好之后就该让单片机“活”起来了。软件部分主要做三件事初始化ADC、读取ADC值、将ADC值换算成真实的电压电流并显示。3.1 开发环境搭建安装Keil MDK如果你没有需要安装Keil5MDK-ARM开发环境。安装N32芯片支持包去国民技术的官网找到N32G430系列的支持包Device Family Pack下载并在Keil中安装。这样在新建工程时才能选择到N32G430C8L7这个型号。准备烧录工具原文作者使用的是ST-Link它同样支持国民技术的芯片。你需要安装ST-Link的驱动并在Keil中配置Debug选项为ST-Link接口选择SWD。3.2 ADC采集与数据处理这里我们假设你已经有了一个基本的工程框架包含了系统时钟、GPIO等初始化代码。我们聚焦在ADC相关的部分。第一步ADC引脚与通道初始化你需要配置两个ADC通道分别连接来自电压分压电路和INA199输出电路的信号。// 假设电压检测接在PA0 (ADC1 Channel 0) 电流检测接在PA1 (ADC1 Channel 1) void ADC_Config(void) { GPIO_InitType GPIO_InitStructure; ADC_InitType ADC_InitStructure; // 1. 使能时钟 RCC_EnableAPB2PeriphClk(RCC_APB2_PERIPH_GPIOA, ENABLE); RCC_EnableAPB2PeriphClk(RCC_APB2_PERIPH_ADC1, ENABLE); // 2. 配置ADC引脚为模拟输入 GPIO_InitStructure.Pin GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_AIN; // 模拟输入模式 GPIO_InitStructure.GPIO_Pull GPIO_No_Pull; GPIO_InitPeripheral(GPIOA, GPIO_InitStructure); // 3. 复位并初始化ADC1 ADC_Reset(ADC1); ADC_InitStructure.ADC_DataAlign ADC_DataAlign_Right; // 数据右对齐 ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv ADC_ExternalTrigConv_None; // 软件触发 ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode DISABLE; // 单次转换模式 ADC_InitStructure.ADC_Resolution ADC_Resolution_12b; // 12位分辨率 ADC_InitStructure.ADC_ScanMode DISABLE; // 非扫描模式单通道 ADC_Init(ADC1, ADC_InitStructure); // 4. 使能ADC ADC_Enable(ADC1, ENABLE); // ADC上电后需要一段稳定时间建议加个小延时 Delay_ms(1); }第二步编写ADC读取函数我们需要一个函数来读取指定通道的ADC值为了提高精度通常采用多次采样取平均的方法。#define SAMPLE_TIMES 64 // 采样次数可取32, 64等 uint16_t Get_ADC_AverageValue(ADC_Module* ADCx, uint8_t channel) { uint32_t temp_val 0; uint8_t i; // 配置规则组通道对于单通道转换这就是配置要转换的通道 ADC_RegularChannelConfig(ADCx, channel, 1, ADC_SampleTime_239_5Cycles); // 采样时间可以调整 for(i0; iSAMPLE_TIMES; i) { ADC_StartOfConversion(ADCx); // 启动转换 while(ADC_GetFlagStatus(ADCx, ADC_FLAG_EOC) RESET); // 等待转换结束 temp_val ADC_GetConversionValue(ADCx); // 读取转换值 ADC_ClearFlag(ADCx, ADC_FLAG_EOC); } return (temp_val / SAMPLE_TIMES); // 返回平均值 }第三步将ADC值转换为实际物理量这是最关键的一步需要根据硬件电路参数进行计算。// 硬件参数根据你的实际电路修改 #define VREF 3.3f // MCU的ADC参考电压假设就是供电电压3.3V #define ADC_RES 4095.0f // 12位ADC满量程值 2^12 -1 // 电压检测分压电阻比值R2 / (R1 R2) #define VOLTAGE_DIVIDER_RATIO (3.3f / (10.0f 3.3f)) // 示例R110k, R23.3k // 电流检测参数 #define SHUNT_RESISTOR 0.05f // 采样电阻阻值单位欧姆 (50毫欧) #define CURRENT_AMP_GAIN 20.0f // INA199的增益 (例如A3型号增益为20V/V) float Get_RealVoltage(void) { uint16_t adc_value; float voltage_adc, voltage_real; adc_value Get_ADC_AverageValue(ADC1, ADC_Channel_0); // 读取电压通道 voltage_adc (adc_value / ADC_RES) * VREF; // 将ADC值转换为引脚上的电压 voltage_real voltage_adc / VOLTAGE_DIVIDER_RATIO; // 反推回VBUS的真实电压 return voltage_real; } float Get_RealCurrent(void) { uint16_t adc_value; float voltage_adc, voltage_shunt, current_real; adc_value Get_ADC_AverageValue(ADC1, ADC_Channel_1); // 读取电流通道 voltage_adc (adc_value / ADC_RES) * VREF; // 将ADC值转换为INA199输出的电压 // INA199输出电压 Vout (Vshunt * Gain) Vref (Vref0) // 所以 Vshunt Vout / Gain voltage_shunt voltage_adc / CURRENT_AMP_GAIN; // 根据欧姆定律电流 I Vshunt / Rshunt current_real voltage_shunt / SHUNT_RESISTOR; return current_real; }注意上面的VOLTAGE_DIVIDER_RATIO、SHUNT_RESISTOR、CURRENT_AMP_GAIN这几个参数至关重要必须根据你实际焊接的电阻和使用的INA199型号进行修改算错了显示的值就全错了。3.3 数据显示与主循环获取到真实的电压和电流值后就可以计算功率power voltage * current并通过LCD屏幕显示出来。这里假设你已有一个LCD显示驱动函数LCD_ShowString()或LCD_ShowFloat()。int main(void) { float voltage, current, power; char disp_buf[32]; // 系统初始化时钟、GPIO、ADC、LCD等 System_Init(); ADC_Config(); LCD_Init(); LCD_ShowString(0, 0, USB Power Meter); LCD_ShowString(0, 16, V:); LCD_ShowString(0, 32, A:); LCD_ShowString(0, 48, W:); while(1) { // 1. 读取并计算 voltage Get_RealVoltage(); current Get_RealCurrent(); power voltage * current; // 2. 显示到LCD (示例需要根据你的LCD库函数调整) sprintf(disp_buf, %.2f, voltage); LCD_ShowString(24, 16, disp_buf); // 在V:后面显示电压值 sprintf(disp_buf, %.3f, current); LCD_ShowString(24, 32, disp_buf); // 在A:后面显示电流值 sprintf(disp_buf, %.2f, power); LCD_ShowString(24, 48, disp_buf); // 在W:后面显示功率值 // 3. 延时一段时间再刷新比如500ms Delay_ms(500); } }4. 调试与校准让测量值更准确程序烧录进去屏幕有显示了但数字可能跳得厉害或者跟万用表测出来的对不上。别急这是正常现象需要调试和校准。1. 基础调试电源检查首先用万用表确认给MCU和INA199的供电电压是否稳定在3.3V左右。信号通路检查不接USB负载测量VBUS电压应为5V左右然后测量分压后送到MCU引脚的电压看是否与计算值相符。测量INA199的输出电压在空载时应该接近0V。2. 软件滤波如果ADC读数跳动大除了硬件上在ADC输入引脚加滤波电容软件上可以增加采样次数前面代码中的SAMPLE_TIMES可以加大比如到128或256。使用滑动平均滤波维护一个数组存储最近N次的采样值每次显示的是这个数组的平均值。这比简单平均更能反映实时变化。#define FILTER_LEN 10 float voltage_history[FILTER_LEN]; uint8_t index 0; float Moving_Average_Filter(float new_value) { voltage_history[index] new_value; index (index 1) % FILTER_LEN; float sum 0; for(int i0; iFILTER_LEN; i) { sum voltage_history[i]; } return sum / FILTER_LEN; } // 在主循环中voltage Moving_Average_Filter(Get_RealVoltage());3. 校准这是提高精度的关键。你需要一个相对准确的参考源比如数字万用表。电压校准给USB端口接一个稳定的负载如一个电阻用万用表测量真实的VBUS电压V_real。同时记录下此时MCU通过Get_RealVoltage()计算出的电压值V_read。 计算校准系数Voltage_Calib_Factor V_real / V_read。 然后在Get_RealVoltage()函数的返回语句前乘以这个系数return voltage_real * Voltage_Calib_Factor;电流校准类似地串联万用表电流档和一个可调负载如电子负载或大功率电阻让电路通过一个已知的电流I_real如1.000A。记录下此时MCU计算出的电流值I_read。 计算校准系数Current_Calib_Factor I_real / I_read。 在Get_RealCurrent()函数的返回语句前乘以这个系数。经过校准后你的USB功率计的测量精度会大大提高。这个小项目虽然不复杂但涵盖了信号采集、放大、MCU ADC应用、数据处理和显示等嵌入式开发的常见环节是一个非常棒的练手项目。希望你能成功做出自己的功率计并在过程中真正学到东西。如果在制作中遇到问题不妨多检查几遍电路连接和计算参数调试的过程本身就是最好的学习。