电压电流表设计文档

• 摘要
• 设想
  • 设计概述
  • 系统组成及功能说明
• 理论成立，开始实现
  • 原理图绘制以及器件选型
  • 软件设计
• 实现中遇到的问题
  • 设计问题
  • 硬件问题
  • 软件问题
• 最终已实现功能
• 后续

摘要

本工程基于立创开发板的电压电流表训练营，在原项目基础上增加了1.8寸TFT屏幕，ESP32蓝牙芯片，USB接口，3.7V锂电池接口及其充电电流、SD卡接口，W25Q64芯片。

设想

设计概述

本工程基于立创CW32地文星开发板实现，需要能够实现0-3V，0-5V，0-10V，0-30V，0-3A的量程进行电压电流测量。同时使用1.8寸TFT屏幕进行数据显示，如果可以的话进行数据实时波形显示。能够使用3.7V锂电池供电，同时锂电池供电、USB供电、被测电源供电三种供电方式能够自由切换。能够使用蜂鸣器进行超量程报警，使用按键进行量程切换等功能，同时能够使用ESP32S3芯片进行数据无线上传。

系统组成及功能说明

系统组成大致如图1所示：

图1 系统组成

核心开发板：使用立创CW32地文星进行开发，主要实现ADC读取、数据处理、数据保存、屏幕显示处理功能。

测量电路：电压测量使用不同的电阻进行分压以测量，电流使用低侧电流采样进行电流采集。

测量方案：使用多路ADC引脚同时测量同一测量端口，通过程序切换使用最优量程。

测量端口：使用ADC引脚进行测量，通过USB转鳄鱼夹和2mm的香蕉插头实现外界测量端口。

通信模块：使用第二个串口与ESP32S3芯片进行通信。

调试端口：使用USB母头与CW32的串口1进行通信。

电源：3.7V锂电池使用AMS1117-3.3降压芯片获得3.3V电压给整个系统供电，USB接口使用SE8550芯片供电，被测电源与UBS接口共同使用SE8550芯片供电

显示：分两种方案，一种为使用7针OLED屏幕，使用SPI协议进行通信。另一种为使用1.8寸TFT屏幕，使用SPI协议进行通信。

额外存储：分两部分，一部分为SD卡，使用SPI协议进行通信，与显示部分挂载在同一SPI总线。另一部分为W25Q64SPIFlash，使用SPI协议进行通信，与显示部分挂载在同一SPI总线。

控制方案：使用4个6*6的轻触按键作为程序输入。

蜂鸣器：用于超量程报警，或者整花活。

LED：用于状态指示

理论成立，开始实现

原理图绘制以及器件选型

原理图由于所需的器件比较多，所以分了2P。1P为开发板及外部模块，如图2所示，包含MCU、电源输入、按键开关、LED指示灯、3.7V锂电池充电电路、3.7V转3.3V电路、电源选择电路、CH340N转USB电路、外设电路、ESP32及其外围电路、总电源开关电路。2P为测量及校准电路，如图3所示，包括0-3V测量接口、0-5V测量接口、0-10V测量接口、0-30V测量接口、0-3A测量接口、2mm香蕉座端口、USB测量端口、电流校准电路、TL431稳定2.5V电路、3.7V锂电池测量电路。

图2 开发板及外部模块原理图

图3 测量及校准原理图

软件设计

软件部分，我的设想是系统整体基于CW32官方提供的固件库去写，系统资源调控通过FreeRtos操作系统实现（https://github.com/FreeRTOS/FreeRTOS-LTS），界面通过uGUI实现（https://github.com/achimdoebler/UGUI），上位机部分使用python进行设计。设备与上位机直接通过蓝牙进行连接。文件系统使用FatFs15实现（http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html）。

实现中遇到的问题

然而，幻想是美好的，现实是残酷的。在进行软件编程和硬件调试的时候遇到了太多难以解决的问题，不过好在最基础的电压电流测量还是实现了。

设计问题

如图4所示，由于ESP32S3开机需要至少500mA的电流，而SE8550仅能输出250mA的电流，因此需要换个LDO才能支撑ESP32S3。好了，第一个问题出现了，能供应大电流的LDO不能承受过高的被测电压，能承受过高被测电压的LDO不能供应大电流。没办法，鱼和熊掌不能兼得，最终我放弃了被测电源供电，仅采用USB供电与3.7V锂电池供电，共用一块AMS1117-3.3V芯片为整个系统提供3.3V电压，供电方式通过开关选择。

图4 ESP32S3建议电源条件

硬件问题

芯片封装选择问题：如果上天能够给我一个再来一次的机会，我会对TL431那个芯片说，“我 ** 你 **，这他么SOT-23真是给人焊的的吗？”。

LayOut问题：给大家看下我的PCB走线，如图5所示：

图5 PCB走线

有眼尖的应该已经看到了，ESP32S3在PCB的右侧，而CW32在PCB的最左侧而他俩之间需要通过RX，TX两条线进行连接，这两条线上的数据可以说是跨越了千山万水，从CW32传输到ESP32S3，然后ESP32S3直接不认这个信号了。没错，就是直接不认这个信号了，但是如果飞从CW32飞一条线过去，ESP32S3就能接收到数据，我没有虚焊！没有虚焊！没有虚焊！用电流表检测两端是导通的 !就挺离谱，目前我的猜测是中间跨越的信号线有点多，导致RX，TX信号干扰严重。好了，蓝牙功能也寄了。

软件问题

软件问题有亿点点多。

首先是FreeRtos，CW32只有8K的RAM，8K啊，我从来没有打过这么穷的帐

在我移植完FreeRtos后，CW32甚至死机了，没错，我给FreeRtos分配的内存太大，导致死机了。后续更改了FreeRtos的configTOTAL_HEAP_SIZE为5*1024才能够正常开机，但是请看VCR图6：

图6 程序内存占用

这个工具名叫keil5_disp_size_bar，作者已在Gitee开源（https://gitee.com/nikolan/keil5_disp_size_bar）

然后问题又来了，使用的1.8寸屏幕分辨率为128*160，反映到程序里就是显示线程会占用极大的内存才能正常显示GUI。如图7所示：

图7 FreeRtos线程占用

然后FreeRtos内部就仅剩76*4byte的内存了，好了，还没能实验的FatFs15已经似了。

最终已实现功能

目前已经实现了0-3V，0-5V，0-10V，0-30V，0-3A的电压电流测量以及量程切换，同时测量数据能够在1.8寸TFT屏幕进行数据显示。

正面丑照：

开机运行：

电压测量

电流测量 看起来是电压，实际是电流，只是V忘了改成A

彩色丝印 由于这一版有BUG，所以只能重新打板了，55555555

后续

后续有机会的话会把其余的功能补全，希望能给个结营证书。