基于 CH32V003 和 CH224K 的 PD 电源诱骗器

基于 CH32V003 和 CH224K 的 PD 电源诱骗器，可以自行选择诱骗电压，并且支持电压、电流、功率显示。

 

不需要 USB PD 诱骗功能可以看另外一个基于 CH32V003 的纯 USB 电流表项目：https://oshwhub.com/wandaeda/ji-yu-ch32v003-de-usb-dian-liu-biao

 

主界面：

 

 

PCB：

 

 

三维猴透明树脂外壳很赞：

 

 

USB PD 诱骗器需求

 

• USB Type-C 输入
• DC 2.5mm 以及 MX126 端子输出
• USB PD 协议诱骗，支持多档电压，支持最高 20V 5A
• 支持 5～20V 电压检测
• 支持 0～5A 电流检测
• 支持功率计算、容量统计
• 支持功率历史图表显示
• 支持统计数据记录与清除
• 按键切换电压电流数据与功率历史图表
• 使用 INA219 采集电压、电流相关数据
• 使用 12864 OLED 显示相关数据

 

CH32V003 介绍

 

CH32V003系列是基于青稞RISC-V2A内核设计的工业级通用微控制器，支持48MHz系统主频，具有宽压、单线调试、低功耗、超小封装等特点。CH32V003系列内置1组DMA控制器、1组10位模数转换ADC、1组运放比较器、多组定时器以及标准通讯接口USART、IIC、SPI等。

官网：https://www.wch.cn/products/CH32V003.html

 

主要参数：

• 青稞32位RISC-V2A处理器，支持2级中断嵌套
• 最高48MHz系统主频
• 2KB SRAM，16KB Flash
• 供电电压：3.3/5V
• 多种低功耗模式：睡眠、待机
• 上/下电复位、可编程电压监测器
• 1组1路通用DMA控制器
• 1组运放比较器
• 1组10位ADC
• 1个16位高级定时器和1个16位通用定时器
• 2个看门狗定时器和1个32位系统时基定时器
• 1个USART接口、1组IIC接口、1组SPI接口
• 18个I/O口，映像一个外部中断
• 64位芯片唯一ID
• 串行单线调试接口
• 封装形式：TSSOP20、QFN20、SOP16、SOP8

 

对于本项目来说，使用 12864 OLED 以及 INA219 需要 I2C 接口，按键需要使用普通 GPIO，UART 用于调试信息输出，SDIO 用于烧录，对比之后发现，TSSOP20 封装的 CH32V003F4P6 更适合，它相比使用 SOP8 封装的 CH32V003J4M6 拥有更多 GPIO，并且 UART 和 SDIO 也没有复用，可以更好地满足本项目的需求。

 

MCU

 

 

MCU 部分没有什么特别需要介绍的，供电 3.3V，加上 100nF 去耦电容。注意 CH32V003 使用 I2C 时，需要在 SCL SDA 加上上拉电阻。

 

这里虽然给 SPI 接口也加了网络标识，但实际并未使用。

 

USB Type-C 输入及诱骗输出

 

 

输入使用了 USB Type-C 16P 接头，PD 诱骗通常不是为了再同样输出到 USB Type-C 接口设备使用，因此这里的输出使用 MX126 螺钉式接线端子和 DC 2.5mm 接口，这样高电压用电设备可以直接通过 DC 插头或者祼线的方式接入。

 

LDO 供电

 

 

因为诱骗器本身没有额外供电，因此需要从待测量电压中取电，同时因为待测量电压会比较高，PD 协议中最高可以到 20V，因此需要使用耐压比较高的取电方案。

 

相比之前的 USB 电流表，这里使用了 LDO 来从输入电压中降压到 3.3V 使用，因为输入电压有可能会高达 20V，因此这里选择了 HT7533S 这款 LDO 来作为降压方案，本项目中使用了 https://item.szlcsc.com/323875.html 这款。

 

整体 MCU + OLED 屏幕 + INA219 的耗电大概在 5mA 左右，因此可以不用担心 LDO 的发热，并且相比 DC-DC 方案，可以节省更多元器件以及 PCB 面积。

 

INA219 电压电流测量

 

本电流表使用的电压电流测量元件为德州仪器 INA219。选择它主要是因为之前使用过，比较熟悉，而且也有现成的库可以使用。

 

INA219 是一款具备 I²C 或 SMBUS 兼容接口的分流器和功率监测计。该器件监测分流器电压降和总线电源电压，转换次数和滤波选项可通过编程设定。

 

INA219 的电压最大量程为 26V，在 PD2.0 100W 中，最大 20V 是足够使用的，但是如果碰到支持 PD3.1 140W，使用 28V 供电时，就会超量程了。但是目前看支持 140W 的充电器和设备都比较少，暂时不纠结这个问题。后续可以考虑使用 INA226 来代替，它具备更高的量程。

 

为了能测量比较高的电压，并且避免较大的发热，这里使用 10mR 的采样电阻，这样即使在 100W 20V 5A 时，功耗也只有 0.25W，实测 100W 长时间运行也不发烫。

 

 

屏幕及按键

 

 

本电流表使用常见的 0.96 寸 12864 OLED 屏幕作为显示设备，该屏幕操作比较简单，功耗也比较少，比较适合这种场景。另外由于 0.96 OLED 祼屏需要比较复杂的配套电路，为了简化制作，这里直接采用成品屏幕模块，通过排针焊接在 PCB 上。

 

2.54mm 排针的高度，刚好可以让屏幕与 PCB 保持一定的距离且不会压到 MCU 等其他元件。注意 U8 和 H2 为同一个接口，放置 U8 主要是为了定位位置，方便对齐。

 

按键使用普通侧按，低电平触发。

 

下载及调试

 

 

需要注意 CH32V003 系列需要使用 WCH Link-E 编程器，实际使用时只需要连接 V3.3、GND、SWDIO 即可烧录程序，如果电流表 Type-C 输入有供电，也可以只接 GND、SWDIO 烧录程序。

 

外壳及面板

 

外壳使用三维猴打印服务，采用了透明树脂材料，并进行喷油处理，整体是透明质感，这不就是透明探索版嘛！

 

 

并且因为这次使用了彩色丝印，那必须把图案露出来呀，透明外壳更合适。

 

程序功能

 

电流表程序就是一个死循环，读取电压、电流后计算功率及容量，并统计显示。

 

I2C 及 12864 OELD 驱动相关代码参考了 https://github.com/wagiminator/CH32V003-GameConsole 的实现。

 

实际测试屏幕刷新率约 40FPS，即电压、电流每秒采样 40 次。

 

功率历史曲线采用每分钟平均值来显示，横向 128 个点，即总共可以显示 128 分钟的功率历史，在一般场景下可以满足使用需求。

 

后记

 

相比之前基于 CH32V003 的 USB 电流表，这个 USB PD 诱骗器将 DC-DC 替换为 LDO，并且添加了 CH224K 这个芯片来用来 USB PD 电压诱骗，实现了完全不同的功能。

 

最后感谢嘉立创“暖冬造物”活动，可以白嫖 PCB 打样、3D 打印、元件购买，最终得以完成这个项目。嘉立创产业服务群对于个人爱好者真是太有帮助了，个人实现产品开发完全成为可能，还有立创开源平台这样一个超棒的社区有各种项目可以参考、学习。