STM32G431电流表

方案设计

开源链接：hlchen2021/电能表 (gitee.com)

B站视频：https://www.bilibili.com/video/BV1bv411F7vi/?share_source=copy_web&vd_source=202523ed8844f5cefcdcbca3e33b33c7
基础功能：

（1）接入电能表的电压 24V，电流 2A，电能表可显示电压、电流数值，误差不高于 0.5%。

（2）接入任意电压（5V~24V），电流（0～5A），电能表可正确显示电压、电流数值，误差不高于 1%。

（3）接入任意电压（5V~24V），电流（0～5A），电能表可正常显示功率值，误差不高于 1%。

拓展功能：

（1）具备电能累计功能，并可正常显示。可以显示mAh和mWh

（2）具备短信通知功能，可将测量数值和电能通过SIM900A模块，以短信的形式发送到手机中（支持定时发送和触发发送两种模式）

（3）具有蓝牙通讯接口，手机端能够通过蓝牙连接实时获取电能表的数据。

（4）具有完整的UI交互界面，可以通过按键实时交互，并控制电能表各个控件的状态。

（5）支持PD诱骗协议，能通过c-c线选择诱骗电压5V，9V，15V，20V，支持多种接口输入和输出，包括XT30，typec接口，USB接口等。

（6）具有纹波测量功能，可测量直流电源的纹波电压，可以显示mV。
整体方案：

主控MCU选用STM的高性价比STM32G431CBT6，电压和电流采样模块选用TI的INA226模块，显示模块选用中景圆下接FPC的0.91寸SPI接口OLED，蓝牙模块选用海凌科的BLE5.0，FDCAN模块选用芯特力的SIT65HVD230DR，PD诱骗芯片为沁恒CH224K，按键选择三档拨轮开关，供电输入和输出接口选用12pin的typeC、5A耐流的usb和XT30UPB-M接口，主控供电选用南京微盟的ME3116经过DC-DC降压至5V后再使用ME6211进行LDO降压至3.3V后给主控供电，板子上有两颗用于debug的LED指示灯和蜂鸣器。

方案分析：

在设计电能表的硬件方案时，我们的目标是选择性能稳定、功耗低、成本合理的组件，以确保电能表的准确度、可靠性和用户友好性。

（1）主控MCU：STM32G431CBT6

性能与成本比较：STM32G431CBT6是STMicroelectronics的一款高性价比的STM32系列微控制器，具有足够的性能来处理电能测量和通信任务，同时在成本方面相对较低。广泛的生态系统：STM32系列在开发者社区和相关工具方面有着强大的支持，有助于简化开发流程，提高开发效率。

稳定性：STM32系列以其稳定性和广泛的生态系统而闻名，能够满足电能表的实时性要求。

（2）电压和电流采样模块：INA226

高精度：TI的INA226模块提供了高精度的电压和电流测量，能够满足电能表对准确度的要求。通用性：INA226具有通用性，适用于不同电压和电流范围的测量，保证了电能表在不同工作环境下的灵活性。I2C接口：INA226采用I2C接口，与STM32G431CBT6主控MCU兼容性良好，方便集成和通信。

（3）显示模块：0.91寸SPI接口OLED

中景圆下接FPC：中景圆的0.91寸SPI接口OLED是一款小巧且高分辨率的显示器，适用于电能表的紧凑设计。SPI接口：使用SPI接口实现与主控的高速数据传输，确保显示的实时性和清晰度。低功耗：OLED在显示时仅点亮需要的像素，相比传统液晶显示器，具有更低的功耗。

（4）蓝牙模块：BLE5.0

海凌科BLE5.0：选择海凌科的BLE5.0模块，提供了稳定的蓝牙通信连接，适用于与手机端的实时数据传输。低功耗：BLE5.0在功耗方面有显著的优势，有助于延长电能表的使用寿命。广泛兼容性： BLE5.0兼容性良好，可以与大多数现代智能手机和设备无缝连接。

（5）FDCAN模块：SIT65HVD230DR

芯特力SIT65HVD230DR：作为FDCAN模块的选择，芯特力的产品在工业通信领域有良好的口碑，确保电能表的可靠通信。高速通信：FDCAN支持高速数据传输，适用于需要快速响应的电能表应用。适用于工业环境：SIT65HVD230DR设计用于工业应用，具有较强的抗干扰能力，确保在复杂电磁环境下仍能保持可靠通信。

（6）PD诱骗芯片：CH224K

沁恒CH224K： PD诱骗芯片的选择考虑到其对不同电压的支持，满足电能表对充电协议的多样性需求。可以通过选择诱骗电阻实现5V、9V、12V、15V和20V电压诱骗。稳定性和灵活性： CH224K的性能和灵活性使其成为实现充电控制的可靠选择。

（7）按键选择：三档拨轮开关

直观控制：三档拨轮开关提供了用户友好的直观控制方式，简化了用户与电能表的交互。机械结构：机械式拨轮开关相对于电容触摸等技术更为稳定，避免了误操作和灵敏度不足的问题。

（8）供电输入和输出接口：typeC、USB、XT30UPB-M

接口多样性：选择12pin的typeC、5A耐流的USB和XT30UPB-M接口，确保了电能表在不同场景下的适用性。耐流性能：USB和XT30UPB-M接口的耐流性能适用于电能表在高电流环境下的可靠供电和输出。

（9）电源供电设计：ME3116 + ME6211

南京微盟的ME3116：ME3116作为DC-DC降压模块，有效地将电能表的输入电压降至合适的水平。ME6211进行LDO降压：ME6211用于LDO降压至3.3V，以给主控供电，保证了系统的稳定性。

（10） 调试和指示模块：LED指示灯和蜂鸣器

可视化调试：LED指示灯提供了可视化的调试方式，有助于迅速定位问题。

蜂鸣器：蜂鸣器用于提供音频反馈，增强用户对电能表工作状态的感知。

通过以上方案的综合比较与选择，我们确保了电能表在硬件设计上的稳定性、性能和灵活性。这一设计不仅满足基础功能的要求，还引入了多项拓展功能，使电能表更加智能、便捷，并提供了广泛的应用场景。

理论分析和计算

接口选型

 

由于接口需要有24V的电压耐压值和6A电流耐流值，因此选择拥有4A耐流的XKB（星坤）生产的USB接口、拥有5A耐流值首韩生产的16PIN Type-C、拥有500V耐压值和15A耐流值的AMASS(艾迈斯)生产的公头XT30UPB-M+顶层和底层同时铺铜+开窗堆锡处理以实现走大电流和高电压的能力。

开窗堆锡主要目的是：

（1）开窗堆锡能够提高导线的横截面积，从而降低电流密度，减少线路的电阻和热量产生。这对于需要传输大电流的电路，如功率电子器件和电源电路，可以有效减少热损耗，防止线路过热。

（2）堆锡处理可以提高导线的导电性能，降低线路的电阻。这对于需要承受大电流的电路来说，有助于减小电压降，提高整个电路的效率。

（3）通过通过增加绝缘层的厚度，提高电路之间的绝缘性能。对于高电压电路，这样的处理可以减小线路之间的电场强度，降低击穿的风险，确保电路的稳定运行。

一般线路板厂家以OZ表示铜箔厚度，1OZ的厚度表示将1OZ重量的铜均匀铺在1平方英尺面积上达到的铜箔厚度，约为0.035mm。所以35um,50um,70um,对应的以oz为计量单位的厚度为1OZ，1.5OZ，2OZ。

为降低PCB板生产成本，本项目采用的是1OZ铜厚的四层板，线宽为1.900mm，由上表可知1.9mm线宽大约能走3.8A左右电流，加上外部2mm宽度左右的堆锡处理和PCB多网路增加电流（正反双面均布同样线路），电流理论上能远超6A。

采样电阻选型

为满足上三式对电流采样电阻功率等限制，此处电阻选择封装为2512、阻值为10mΩ、功率为3W、精度误差为1%的封体合金采样电阻，根据P=IIR，当电阻上流经的电流为6A时，功率P为0.36W，在电阻的功率限制3W范围内。

电流采样选用的芯片为TI公司的INA226，INA226是一款分流/功率监视器，具有IIC或SMBUS兼容接口。该器件监视分流压降和总线电源电压。可编程校准值、转换时间和取平均值功能与内部乘法器相结合，可实现电流值（单位为安培）和功率值（单位为瓦）的直接读取。INA226可在0V至36V的共模总线电压范围内感测电流，与电源电压无关。该器件由一个2.7V至5.5V的单电源供电，电源电流典型值为330uA。该器件的额定工作温度范围为-40°℃至125°c，IIC兼容接口上具有多达16个可编程地址。

INA226具有 I2C 接口的单芯片解决方案支持电流、电压以及电源测量，无需外部多路复用器或 ADC 即可简化电路板设计，应对布局局限性。INA226具有以下优点：

（1）具有 10 uV 最大失调电压与 0.1% 最大增益误差，不但可在低电流下实现更高精度，而且还可使用更小的分流电阻器，从而可降低 I*R 损耗。

（2）独立可编程转换时间与采样平均技术不但可简化每个系统的速度需求定制，而且还可降低对软件及存储器的需求。

（3）420 uA 最大静态电流与 2 uA 最大关断电流支持高效工作，即便 INA226 集成 ADC 与电源多路复用器，功耗也比同类竞争产品的分立式解决方案低 3.5%。

（4）140 dB 共模抑制比 (CMRR) 与 36 V 共模电压 (CMV) 可在整个工作范围内确保变化极小或根本无变化的失调电压，从而可简化误差分析。

供电电压选择

ME3116 是内部集成了 MOSFET 的异步整流降压稳压器，有宽输入电压范围内（4.75V-40V1A 的负载能力。ME3116 系统采用 PWM 控制模式，具有很好的瞬态响和逐周期限流功能。同时，在轻载条件下系统自动切换到 PF模式，保证较高的轻载效率。ME3116 内置功率管具有较低的 RDSON (典型值0.9Ω)，典型情况下效率高达 90% 。它内置了软启动和环补偿，以及550K 固定工作频率，保证了产品性能的同时也幅度降低了产品应用所需的外围器件ME3116 还具有过热关断、输入欠压保护、 BS 欠压保和短路保护。

 

为方便电路的实际使用，电阻选取常见阻值，且供电电压在5V左右。因此，R2选择封装为2512、阻值为1.8kΩ、精度误差为1%的封体合金电阻；R1选择封装为2512、阻值为10kΩ、精度误差为1%的封体合金电阻。

 

电路与程序设计

采样电阻

INA226是一款由德州仪器生产的高精度电流/电压/功率监测器芯片，广泛用于电源管理系统中。在设计INA226采样电路时，需要考虑以下几个关键因素：

（1）采样电阻：

采样电阻的选择与计算在理论计算与分析部分，阻值会直接影响测量的精度和范围。此外，还应选择低温度系数的电阻可以减少温度变化对测量精度的影响。

（2）布局：

接口：采样电阻应尽可能靠近INA226，并且其地线应该短且粗，以减少电阻和INA226之间的电压降。

走线：INA226的Kelvin（四线）连接方式可以减少走线电阻对测量的影响。

（3）滤波：

电源线：在INA226的电源引脚上加入旁路电容可以减少电源噪声对测量的影响。

差分信号线：在采样电阻两端的差分信号线上加入滤波电容可以减少高频噪声。

（4）量程选择：

INA226可以通过编程设置不同的量程，以适应不同的测量需求。需要根据实际应用中的最大电流和电压来选择合适的量程。

通讯电路：

SIT65HVD230 是一款应用于 CAN 协议控制器和物理总线之间的接口芯片，与具有 CAN 控制器 的 3.3V 微处理器、微控制器 (MCU) 和数字信号处理器 (DSP)或者等效协议控制器结合使用，应用 于工业自动化、控制、传感器和驱动系统，电机和机器人控制，楼宇和温度控制，电信和基站控制及 状态等领域。适用于采用符合 ISO 11898 标准的 CAN 串行通信物理层的应用。

FDCAN通讯电路中，使用120欧姆用于端对端通讯阻抗匹配，PESD用于防止静电，差分布线满足高速需求。

供电电路：

（1）前馈电容的选择

为了减少瞬态纹波，可以增加前馈电容值将交越频率推向更远。尽管这样可以提高瞬态响应，但它也降低了相位裕度，引入了更多的振铃信号。另一方面，如果更在乎相位裕度，可以减小前馈电容值， 将交越频率推向较窄的范围。C12选用100pF电容。

（2）输入电容的选择

VIN和GND之间接一个低ESR陶瓷电容(CIN)，典型值为2.2μF-10μF，该电容能阻值较大的输入瞬态电压。其值取 决于结构，在额定电压下，陶瓷电容值能够减少至其额定值的50%。查阅电容厂商的数据表，了解电容值在电压和温度调节下的衰减率。C10选用10uF电容。

（3）电感的选择

大多数电感的临界参数是感应系数、峰值电流和直流寄生电阻。电感决定了电感纹波电流的峰峰值，输入和输出电压。较大电感值可以减少纹波电流，但却增加电导损耗、磁心损耗，作用于电感和开关器件上的电流应力。这样也需要 较大的输出电容，以保证相同的输出电压纹波。合理取值是保证纹波电流为输出直流的30%。L2选用6.8uH电感。

（4）电压抬升电容

电压抬升电容Cboot，推荐选值为0.15μF或大于该值。如果应用中输入电压小于输出电压两倍以上，推荐选择更 大的电容以确保内部足够的驱动电压和一致的RDSON，取值通常为0.15μF 到 1μF。此处选用100nF电容。

显示电路：

三线SPI通讯协议被广泛用于驱动OLED等设备，主要原因是其简洁性和高效性。三线SPI通信只需要使用三条线：串行时钟线（SCK）、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线C/S。这种连接方式减少了需要接插的线路数量，降低了硬件的复杂性，提高了系统的稳定性。

在三线SPI通讯中，各线路的功能如下：

- 串行时钟线（SCK）：提供了同步的时钟信号，控制数据的传输速率。

- 主机输出/从机输入数据线MOSI：由主设备输出数据到从设备。

- 低电平有效的从机选择线C/S：这是一个控制线，由主设备发出低电平信号来激活指定的从设备。

三线SPI通讯协议相较于其他协议如I2C，有其独特的优势。其中一个显著优点是其通信速度快，具体可以达到1M以上。这种高速度对于显示刷新等需要快速响应的应用非常重要。另一个优势是三线SPI只需要使用三条线：串行时钟线（SCK）、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线C/S。这样的设计减少了接线数量，降低了硬件的复杂性，提高了系统的稳定性。

电压诱骗电路：

使用CH224K的PD诱骗芯片，用于电压诱骗。CH224 单芯片集成 USB PD 等多种快充协议，支持 PD3.0/2.0，BC1.2 等升压快充协议，自动检测 VCONN 及模拟 E-Mark 芯片，最高支持 100W 功率，内置 PD 通讯模块，集成度高，外围精简。集成输出电 压检测功能，并且提供过温、过压保护等功能。

UI界面：

UI界面使用双向链表进行多级菜单的创建，实现简明的界面和丰富的内容。每个节点指向其直接前驱和直接后继节点。从双向链表的任意位置开始，都能访问所有的节点。

 

测试方法和测试结果

测试方法

（1）校准电能表。

（2）接入任意电压（5V~24V），电流（0～5A），观察电能表是否可正确显示电压、电流和功率值数值，误差不高于 1%。共测量五次。

（3）测试电能累计、短信通知、蓝牙通讯功能，并可正常显示。可以显示mAh和mWh。

（4）测试UI交互界面，可以通过按键实时交互，并控制电能表各个控件的状态。

（5）PD诱骗协议，能通过c-c线选择诱骗电压5V，9V，15V，20V，支持多种接口输入和输出，包括XT30，typec接口，USB接口等。

（6）测试纹波测量功能，可测量直流电源的纹波电压，可以显示mV。

测量结果

（1）校准

（2）电压和电流测试

功能实现

（1）电压、电流、功率误差均远小于1%，电能表各项功能基本实现。

（2）短信发送选用SIM900A模块，支持软件调整自动发送时间，也可通过手动按键触发。

（3）蓝牙定时发送

蓝牙模块可以定时1s进行发送，手机端可以实时监测电能值