【毕设】USB功率测试仪

1.题目要求

　　使用单片机设计一款功率测试仪，外观不限，要求可显示电压、电流、功率，且输入最大功率100W以上。不得抄袭，不得使用成品模块。

2.题目分析

　　题目要求设计一款功率测试仪，我选择设计一款使用USB接口的可测试手机快充的功率计，具有一定便携性。

3.设计方案

4.原理图设计说明

4.1 降压电路

　　降压部分为MCU、INA220、OLED屏等提供3.3V电源，由于整个系统消耗的电流最大不会超过60mA，低负载下普通的DC-DC变换器效率较低，所以最好选择带burst、skip、pfm等轻载节能功能的芯片，这里用的是立创商城买的RY9320AT6，上/下管内阻100/50mΩ，频率500k，正常工作是PSM模式，轻载进入PFM模式。而且一片只要1块5，性价比超高。
实测5V供电时只需要从VUBS获取9mA电流，而在大部分快充的9-12V区间只需要4mA左右电流，大大降低了测量误差。

4.2 电压电流采样

　　INA220电源添加一颗去耦电容。A0、A1接地设置地址。

4.3 接口部分

　　A口使用5PIN定制接口，用于测试小米、OPPO的快充以及QC等使用普通A口的快充，Type-C接口主要用于测试PD快充。
这种A口实际上是把USB3.0的GND脚复用成了私有协议的识别脚，并且VBUS和GND加宽。理论上直接用USB3.0接口也能识别，但USB3.0接口过不了太大电流有风险。母座立创商城就有，公头立创商城的一直没货，从淘宝买的。Type-C直接立创商城找个大电流的就行，注意不要用只有6PIN的那种“大电流”，因为少一对VBUS和GND。

4.4 快充诱骗

　　本设计带有简单的QC快充诱骗功能，可以当简易调压电源用。QC2.0、QC3.0协议需要0、0.6V、3.3V三个电压，可以直接使用IO口模拟实现。QC2.0支持5V、9V、12V、20V四个档位，其中20V档位只有极少数支持QC2.0 ClassB的充电头才支持，这也是后面演示视频中无法诱骗QC2.0 20V的原因。QC3.0支持以200mV为步长进行连续调压，可输出4.4-20V。大部分30W以上的小米的快充头QC3.0都能支持到20V，这是为了给自家无线充电器供电。

4.5 串口下载

　　串口下载使用CH340K，使用RTS与DTR实现一键下载。
其实CH340K不要也行，调试的时候从板子上飞三根线下来接到CH340模块上，调试完再把飞线移除。

4.6 主控

　　主控使用stm32g030f6p6，体积小，性能较高。大概是目前stm32里最便宜的一款了，淘宝只要2-3块，凑个红包可能就一两块。g030系列可能是因为使用了更先进工艺，一块晶圆能切出更多的die,性能更强的同时甚至比f030系列还便宜。

4.7 OLED屏

　　屏幕的原理图直接按照驱动芯片ssd1315的datasheet推荐设计来画。

4.8 eeprom

　　用于存储记录到的电压电流、曲线，用不到这个功能可以不加。

PCB设计说明

　　PCB使用四层板，四层板拥有更强的抗干扰能力，而且可以降低布线难度。
VBUS开窗挂锡以增大载流。采样电阻布线使用开尔文接法。OLED屏放在另一块板上，与主板通过FFC排线连接。

　　使用立创EDA专业版设计了3D打印外壳。但快递到的前一天我这里突发疫情快递进不来了，所以后面的实物展示里并没有外壳。等疫情过去后在补上

软件说明

　　IDE使用STM32CubeIDE,固件库使用HAL库，初始化代码使用STM32CubeMX生成。全部代码在附件里，基本都有注释，有疑问可以在评论区里问我

多级菜单

key_table table[30]=
{
	{0,0,0,1,(*fun0)}, //第0层,显示主界面

	{1,4,2,5,(*fun1)}, //第一层，显示【亮度设置】、快充诱骗、数据记录、返回
	{2,1,3,6,(*fun2)}, //第一层，显示亮度设置、【快充诱骗】、数据记录、返回
	{3,2,4,9,(*fun3)}, //第一层，显示亮度设置、快充诱骗、【数据记录】、返回
	{4,3,1,0,(*fun4)}, //第一层，显示亮度设置、快充诱骗、数据记录、【返回】

	{5,5,5,1,(*fun5)}, //第二层，亮度设置

	{6,8,7,10,(*fun6)},//第二层，快充诱骗层下显示【QC 2.0】、QC3.0、返回
	{7,6,8,11,(*fun7)}, //第二层，快充诱骗层下显示QC 2.0、【QC3.0】、返回
	{8,7,6,2,(*fun8)},  //第二层，快充诱骗层下显示QC 2.0 、QC3.0、【返回】

	{9,9,9,3,(*fun9)}, //第二层，数据记录

	{10,10,10,6,(*fun10)},   //第三层，快充诱骗QC 2.0
	{11,11,11,7,(*fun11)},//第三层，快充诱骗QC 3.0
};

主函数循环

  while (1)
  {
	  OLED_Refresh();//刷新显存
	  if(time_1s_ok)
	  {
		  time_1s_ok=0;
		  voltage     = INA220_GetVoltage();
		  current     = INA220_GetCurrent();
		  power       = INA220_GetPower();
		  energy_temp = energy_temp + power*0.00027777;
		  energy      = energy_temp;

		  if(power!=0&&mem_addr_base<0xE00)
		  {
			  HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0xA0,mem_addr_base,I2C_MEMADD_SIZE_16BIT,(u8*)ina220_data,4,100);
			  mem_addr_base=mem_addr_base+4;
		  }
	  }
	  /*******************find index****************************/
	  if((key_enter==1)||(key_up==1)||(key_down==1))
	  {
		  if(key_up==1)
		  {
			  func_index=table[func_index].up;    //up
			  key_up=0;
		  }
		  if(key_down==1)
		  {
			  func_index=table[func_index].down;    //down
			  key_down=0;
		  }
		  if(key_enter==1)
		  {
			  OLED_Clear();
			  func_index=table[func_index].enter;    //enter
			  key_enter=0;
		  }

	  }
	  if(key_back==1)
	  {
		  key_back=0;
		  if(oled_on==1)
			  oled_on=0;
		  else
			  oled_on=1;
	  }
	  current_operation_index=table[func_index].current_operation;
	  (*current_operation_index)();//执行当前操作函数
	  HAL_Delay(10);
  }
}

OLED屏使用硬件I2C驱动，直接调用HAL库中的HAL_I2C_Mem_Write()即可实现大量显存的连续写入。
该函数原本是用于读写eeprom的，但其它需要写入两个地址的应用同样可以使用。

//刷新显存
void OLED_Refresh(void)
{
    u8 i;
    for(i=0;i<8;i++)
    {
	OLED_WR_Byte(0xb0+i,OLED_CMD); //设置行起始地址
	OLED_WR_Byte(0x00,OLED_CMD);   //设置低列起始地址
	OLED_WR_Byte(0x10,OLED_CMD);   //设置高列起始地址
	HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c2,OLED_ADDRESS,0x40,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,&OLED_GRAM[i][0],128,100);
	//写入显存
    }
}

INA220的读写由于也要写入两个地址，所以同样可以直接使用HAL_I2C_Mem_R/W()函数读写，这样就不用另外花时间去实现。
但由于INA220中的寄存器是16位的，该函数只能读写u8,所以要手动把两个u8合成一个u16。

//INA220初始化
void INA220_Init(void)
{
u8 CFG[2] = {0x27,0xff}; //配置寄存器0x21D7
u8 CAL[2] = {0x20,0x00}; //校准寄存器0x5000，1ma/bit

HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,INA220_ADDR,CFG_REG,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,&CFG[0],2,100);//设置配置寄存器
HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,INA220_ADDR,CAL_REG,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,&CAL[0],2,100);//设置校准寄存器
}

实物展示说明

由于疫情打印的外壳进不来，这里用多的屏幕的板子当的下盖，上盖用了个以前打的黑色PCB保护屏幕。

主板正面。

主板背面。

注意事项

　　　　　　　　　第一次使用STM32G0芯片要谨防变砖！！





因为G0的启动方式默认不是由boot0引脚决定的，而是由内部nboot0 bit寄存器决定的，其默认值是1，如果到手直接往里烧一段程序就没法从System memory启动了。要先使用STM32CubeProgrammer将Option bytes-User Configuration中nBOOT_SEL的勾去掉。
这有点类似AVR单片机的配置熔丝。

其它附件上传

　　除功率检测和快充诱骗，还提供了屏幕亮度调整和简单的电压、电流曲线记录的功能。

选型指南

　　电压电流采样部分。INA220和INA226都可以直接用，电路不用改，226是16位的精度更高。淘宝220比226便宜一半左右，12位也差不多够用了，配合5mΩ采样电阻正好能测到8A。采样电阻是C723507，0.5%精度的，换成其它1%的问题应该也不大。ina220电流最大量程的公式是40mV/(R)mΩ。
MCU用的STM32G030F6P6，用这个主要是便宜，淘宝两三块。缺点就是第一次用的时候别忘了先配置下寄存器，防止变砖；还有因为比较新，串口烧录只能用STM32CubeProgrammer，一键烧录废一半，2.9版本还有bug，得用2.8；更建议直接用SWD往里烧。
串口部分建议直接不要，直接空着，原因如上，如果需要串口下载或printf调试直接从预留的烧录焊盘飞线。
接口部分。USB-A母座用的是立创商城C708966；公头是淘宝锐欣买的4毛一个，但要6块运费，可以多买点，母座也可以同一家店买，这样就都是绿色的了。USB-C是C963413。
OLED屏，注意要选SSD1315的新款，宽24.7，ssd1306的要大一圈，和外壳不匹配。
ESD二极管，要不要都行。
EEPROM，是记录曲线用的，做的也有点简陋，用不到可以直接不要。
降压部分，我用的立创商城的RY9320，实测效率很高，如果要换成其它的，最好选个带轻载节能的，否则效率会极低。输入电容注意耐压；而且材质要是X5R或X7R，因为其它材质比如Y5V当直流偏置电压接近耐压时，它的容量可能就只剩十分之一了。
整个设计的成本还是比较低的，如果你那已经有常用的阻容，不算运费差不多20块左右就能拿下，淘宝整个能测这么高功率且支持小米OPPO协议的就贵不少了。

演示视频

　　从左往右第一个按键是选择键；第二三个是上、下键；最后一个是附加功能键，在主界面可以临时开/关显示，防止长时间测量造成OLED屏幕烧屏，在数据记录界面可以切换电压、电流、功率。

　　视频1是使用红米note10pro测试的65W充电，这是我功率最高的设备了。测120W充电应该也是没问题的，毕竟电流和65W一样是6A。但往后出的160W充电因为电流增加到了8A，虽然这个测试器是能测到8A的，但A口是6A的,C口是5A的，估计短时间测测还行，时间长了可能发热。

　　视频2是快充诱骗的演示，同时输出接到了万用表上来对比精度，万用表已经使用REF5010电压基准校准过了。可以看到电压测量的精度还是相当可以的。

　　视频3是电流精度的演示，把10Ω的铝壳电阻和万用表串联，二者测到的电流基本是一致的，由于万用表测量内阻的存在，电流偏低。