ESP32-Typec电流表（PPS诱骗器&监听器）

基于 ESP32-S3 的 USB-PD 诱骗器与监听器

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> 11.25 上传固件与外壳stl模型
> 对于部分充电头仍有BUG，还在修复，慎重复刻！

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PD诱骗与电流监测

PD报文解析

实施解析PD报文

PD报文记录

PCB

一、项目概述

1.1 项目名称

ESP32-S3 USB Power Delivery 诱骗器与协议分析仪

1.2 项目简介

本项目基于 立创·ESP32S3R8N8开发板，实现 USB Power Delivery (PD) 电压诱骗（主动请求）与协议监听（被动抓包）、实时功率监测与 LVGL 可视化。主要用途包括充电器测试、PD 协议学习、方案验证与维修诊断。

核心硬件：ESP32‑S3 + CH224A (PD 诱骗) + CH32X035 (PD 监听) + INA226（电参采集）+ 9mΩ 分流电阻 + 双 USB‑C（输入/输出）+ 240×240 SPI TFT。

1.3 应用场景

• 📱 移动设备快充测试：验证手机/笔记本的 PD 协议支持情况
• 🔌 电源适配器开发：测试充电器的 PD 协议实现
• 📚 教学实验平台：USB-PD 协议原理学习与实践
• 🔧 维修诊断工具：快速检测充电异常问题
• 🧪 硬件方案验证：原型设计阶段的供电测试

1.4 技术亮点

• 双模式：诱骗模式（主动请求电压） / 监听模式（被动采集，不干扰）
• 电压支持：5 / 9 / 12 / 15 / 20 / 28 V + PPS (3.0–21.0 V，100 mV 步进)
• 实时测量：INA226 精度 ±1%，9 mΩ 分流电阻，电压 0–36V，电流 0–6A
• 协议支持：USB‑PD 2.0 / 3.0 / 3.1（支持解析 Source Capabilities / Request / PS_RDY / VDM 等）
• UI：LVGL 8.3 + TFT（实时显示、数据包列表、HEX 导出）
• 软件架构：三层（Application / Business / HAL），FreeRTOS 任务隔离，UART 接收后台任务，I²C 驱动器抽象
• 按照USBPD3.2手册进行解析PD报文
  

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二、硬件设计

2.1 核心硬件清单

硬件模块	型号/规格	功能说明	数量
主控开发板	立创·ESP32S3R8N8开发板	主控芯片，运行三层架构软件	1
PD 诱骗芯片	CH224A (I2C 地址: 0x23)	主动请求 USB-PD 电压档位	1
PD 监听芯片	CH32X035	监听 CC 线 PD 通讯协议	1
电流传感器	INA226 (I2C 地址: 0x40)	测量电压/电流/功率	1
采样电阻	9mΩ / 2W	INA226 电流采样	1
显示屏	240x240 TFT LCD (SPI)	LVGL 图形界面显示	1
按键	拨轮开关	左键/右键/下键（GPIO 6/7/42）	1
USB-C 接口	公头 + 母头	输入输出接口	2

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2.1.1 ESP32-S3 控制核心

原理图采用 立创·ESP32S3R8N8开发板，负责界面绘制、PD 业务逻辑、电压管理和数据解析。

主要特性：

• 240MHz 双核 Xtensa LX7
• 集成 USB OTG/PSRAM
• 内置 Wi-Fi，可未来扩展无线 OTA / Web UI
• 资源充足，可同时运行 LVGL + CH32 解码任务

所有外围驱动通过 HAL 层抽象，包括：

• I²C（CH224A / INA226）
• UART（CH32 PD 抓包）
• SPI（TFT 显示屏）

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2.1.2 CH224A USB-PD 诱骗芯片

本电路采用 CH224A 作为 USB-PD 的主动协商器件，用于向电源适配器请求电压档位。

硬件特性：

• I²C 地址：0x23
• 支持标准 PD 固定档位：5V/9V/12V/15V/20V/28V
• 支持 PPS 可调：3V ~ 21V
• 配合 ESP32-S3 可实现按键切换电压、长按调节 PPS

典型应用电路包括：

• CC1/CC2 上拉电阻
• VBUS 过压保护电路
• CH224A 使能脚（与 GPIO 控制电源模式切换）

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2.1.3 CH32X035 PD 监听器（Sniffer）

为了不干扰 PD 协商过程，本项目采用 CH32X035 独立捕获 CC 线的 PD 通信（BMC 调制）。

监听功能包括：

• 捕获 Source Capabilities、Request、PS_RDY 等 PD 报文
• 解析 SOP / SOP’ / SOP’’
• 通过 UART 将解析结果实时发送给 ESP32-S3

硬件实现：

• CH32X035 配合外部 CC1/CC2 电平检测电路
• UART 与 ESP32-S3 的 RX/TX 交叉连接
• 独立供电，保证监听链路不会对 PD 诱骗产生干扰

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2.1.4 INA226 精密电流/电压采集

采用 INA226 作为主电流/电压监测器件，具备高精度与宽量程优势。

关键硬件参数：

• I²C 地址：0x40
• 电压测量范围：0~36V
• 电流测量：配合 9mΩ 采样电阻，支持 6A 以内
• 上位机：ESP32 读取 INA226 的电压/电流/功率寄存器

硬件注意点：

• 浮地测量：INA226 正负输入跨接在取样电阻两端
• 使用 2W 大功率分流电阻，避免高电流发热
• 在 PD 诱骗高电压（20~28V）时仍能稳定工作

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2.1.5 双 USB-C 接口设计

本设计包含 输入端（电源适配器） 与 输出端（被测设备） 两个 Type-C。

硬件结构：

• 输入 USB-C：与 CH224A/CH32X035 的 CC 信号相连，用于 PD 协商与监听
• 输出 USB-C：提供 Vbus 输出给负载设备
• 采用 MOS + 二极管的防倒灌与切换电路（原理图 U6/U7 区块）
• CC1/CC2 通过分离电阻引出，避免 PD 调试产生互相影响

确保以下特性：

• Vbus 反灌保护
• USB-C 插入方向适配（CC 自动切换）
• 高电压下的可靠隔离（20~28V）

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2.1.6 TFT SPI 显示屏

使用 240×240 分辨率 TFT 显示屏，SPI 接口。

硬件特性：

• 驱动 IC：ST7789
• 支持 LVGL 8.3
• 使用 TFT_eSPI 库驱动
• 采用 GPIO + SPI 控制片选、D/C、Reset、Backlight

原理图已包含背光控制电阻、滤波电容和 SPI 信号完整性设计。

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2.1.7 TPS54202 同步降压电源

为整板提供 3.3V 稳压电源。

硬件特点：

• 28V 宽输入
• 2A 输出能力
• 低待机功耗
• 典型电路包括：电感、肖特基二极管、输入输出滤波电容

这是保证整个 PD 系统在高压条件下稳定工作的重要部分。

2.2 系统框图

2.3 引脚分配

功能	GPIO	说明
I2C_SDA	GPIO 21	CH224A + INA226 共享
I2C_SCL	GPIO 22	CH224A + INA226 共享
UART1_RX	GPIO 18	CH32 数据接收
UART1_TX	GPIO 17	CH32 数据发送
TFT_CS	GPIO 5	TFT 片选
TFT_DC	GPIO 16	TFT 数据/命令
TFT_RST	GPIO 23	TFT 复位
TFT_MOSI	GPIO 23	SPI 数据
TFT_SCLK	GPIO 18	SPI 时钟
BUTTON_LEFT	GPIO 6	左键（上拉输入）
BUTTON_DOWN	GPIO 7	下键（上拉输入）
BUTTON_RIGHT	GPIO 42	右键（上拉输入）
CC_EN	GPIO 4	CH224A 使能控制

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三、软件架构

3.1 三层架构设计

┌─────────────────────────────────────────────────┐
│  Application Layer (应用层)                     │
│  ┌───────────────────────────────────────────┐  │
│  │         AppController                     │  │
│  │  • 模块初始化与生命周期管理               │  │
│  │  • 主循环调度（按键/传感器/显示更新）     │  │
│  │  • 按钮回调事件分发                       │  │
│  │  • 模式切换（诱骗模式/监听模式）         │  │
│  └───────────────────────────────────────────┘  │
└──────────────────┬──────────────────────────────┘
                   │
┌──────────────────▼──────────────────────────────┐
│  Business Logic Layer (业务逻辑层)              │
│  ┌──────────────────┐  ┌──────────────────────┐ │
│  │ VoltageManager   │  │USBPDProtocolHandler  │ │
│  │ • 电压档位选择   │  │• PD 数据包解析       │ │
│  │ • PPS 精细调节   │  │• 协议类型识别        │ │
│  │ • 配置持久化     │  │• HEX 格式化输出      │ │
│  │ • 状态同步到UI   │  │• 数据包存储管理      │ │
│  └──────────────────┘  └──────────────────────┘ │
└──────────────────┬──────────────────────────────┘
                   │
┌──────────────────▼──────────────────────────────┐
│  HAL Layer (硬件抽象层)                          │
│  ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────────┐    │
│  │CH224A    │ │INA226    │ │SerialDriver  │    │
│  │Driver    │ │Driver    │ │(CH32 UART)   │    │
│  │• 设置电压│ │• 读传感器│ │• 后台任务    │    │
│  │• PPS控制 │ │• 校准配置│ │• 数据包回调  │    │
│  └──────────┘ └──────────┘ └──────────────┘    │
│  ┌──────────┐ ┌──────────────────────────────┐ │
│  │Button    │ │DisplayDriver                 │ │
│  │Driver    │ │• LVGL UI刷新                 │ │
│  │• 去抖    │ │• 双界面切换(主屏/USBPD屏)    │ │
│  │• 事件    │ │• 传感器数据渲染              │ │
│  └──────────┘ └──────────────────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────┘

3.2 关键模块说明

3.2.1 应用层（Application Layer）

• 文件：src/application/AppController.cpp
• 职责：
  • 系统启动时检测模式（通过 DOWN 按钮）
  • 初始化所有驱动和业务模块
  • 主循环中协调按键扫描、传感器读取、UI刷新
  • 按钮事件回调注册与分发

3.2.2 业务逻辑层（Business Logic Layer）

• VoltageManager（src/business/VoltageManager.cpp）：

  • 管理 8 种电压档位（5V/9V/12V/15V/20V/28V/PPS/AVS）
  • PPS 电压步进调节（100mV 步长，3V~21V）
  • 与 CH224A 驱动交互，应用电压选择

• USBPDProtocolHandler（src/business/USBPDProtocolHandler.cpp）：

  • 接收 CH32 串口原始数据包
  • 调用 usbpd_parser.cpp 解析协议
  • 管理最多 1000 个数据包的缓存
  • 支持 HEX 格式导出到串口

3.2.3 硬件抽象层（HAL Layer）

驱动模块	关键接口	硬件依赖
CH224ADriver	setVoltage(mode), setPPSVoltage(mV), isPDActive()	CH224A (I2C 0x23)
INA226Driver	readSensorData(), configure()	INA226 (I2C 0x40)
SerialDriver	initUART1(), setPacketCallback(), startBackgroundTask()	UART1 (CH32)
ButtonDriver	init(), tick(), onLeftClick(), onRightClick()	GPIO 6/7/42
DisplayDriver	updateSensorData(), switchToScreen(), refresh()	TFT SPI + LVGL

3.3 技术栈

分类	技术选型	版本
框架	Arduino (PlatformIO)	-
RTOS	FreeRTOS (ESP-IDF 内置)	-
UI框架	LVGL	8.3.10
I2C库	Wire (Arduino)	-
电流传感器库	INA226_WE	1.2.12
按键库	OneButton	2.6.1
TFT驱动	TFT_eSPI	2.5.43

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四、功能特性

4.1 核心功能

4.1.1 双模式运行

模式	启动方式	功能描述	应用场景
诱骗模式	按住 DOWN 键上电	• 可主动切换电压档位 • 支持 PPS 精细调节 • 实时监测输出参数	设备供电测试、充电器性能验证
监听模式	正常上电	• 锁定 5V 供电 • 被动监听 CC 线通讯 • 不干扰原有协议交互	协议分析、教学演示、故障诊断

4.1.2 电压诱骗功能

• 固定档位：5V / 9V / 12V / 15V / 20V / 28V
• 可调模式：
  • PPS (Programmable Power Supply)：3V ~ 21V，步进 100mV
  • AVS (Adjustable Voltage Supply)：动态电压调节
• 操作方式：
  • 左右键切换档位
  • 长按左右键在 PPS 模式下微调电压
  • 下键确认应用选择

4.1.3 实时功率监测

• 监测参数：
  • 电压：±1% 精度
  • 电流：±1% 精度（通过 9mΩ 采样电阻）
  • 功率：实时计算显示
• 更新频率：5 秒/次（可配置）
• 量程范围：
  • 电压：0 ~ 36V
  • 电流：0 ~ 6A
  • 功率：0 ~ 216W

4.1.4 USB-PD 协议分析

• 支持协议：USB PD 2.0 / 3.0 / 3.1
• 可解析消息类型：
  • Source Capabilities (电源能力)
  • Request (请求)
  • Accept/Reject (应答)
  • PS_RDY (电源就绪)
  • Vendor Defined Messages (厂商自定义)
• 数据展示：
  • 实时解析显示（LVGL 界面）
  • HEX 原始数据导出（串口）
  • 最多存储 1000 个数据包

4.1.5 图形化界面

• 界面设计：使用 NXP GUI Guider 可视化设计工具生成
• 屏幕切换：
  • 主屏幕：电压选择、传感器数据、PD 状态
  • USBPD 屏幕：协议数据包列表、HEX 数据显示
• 交互方式：
  • 单击左/右键：切换电压档位
  • 长按左/右键：PPS 精细调节 / 切换到 USBPD 界面
  • 单击下键：应用电压设置 / 导出数据包到串口

4.2 特色亮点

4.2.1 架构设计优势

✅ 清晰的分层架构：应用层、业务层、HAL层解耦，易于维护和扩展
✅ 无全局变量污染：V2.1 版本彻底废弃全局变量，使用对象引用传递
✅ 回调机制解耦：下层通过回调通知上层，避免循环依赖
✅ 依赖注入设计：驱动对象通过构造函数传递，便于单元测试

4.2.2 并发处理

✅ FreeRTOS 多任务：串口数据接收独立后台任务，不阻塞主循环
✅ LVGL 定时器：UI 刷新异步处理，保证界面流畅
✅ 按键去抖：OneButton 库硬件级去抖，支持单击/长按/双击事件

4.2.3 内存优化

✅ 固定缓冲区：串口接收使用 256 字节固定缓冲区，避免动态分配
✅ 数据包限制：USB-PD 数据包最多存储 1000 个，防止内存溢出
✅ 字体压缩：LVGL 字体使用内置压缩算法，节省 Flash 空间

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五、开发与测试

5.1 开发环境

5.1.1 必需工具

• IDE：Visual Studio Code
• 插件：PlatformIO IDE
• 编译平台：Espressif32 (Arduino Framework)
• 烧录工具：esptool.py (PlatformIO 自动集成)

5.1.2 推荐工具

• UI 设计：NXP GUI Guider 1.6+
• 串口调试：PlatformIO Serial Monitor / Termite
• 协议分析：Wireshark (USB-PD 插件)
• 版本管理：Git

5.2 测试验证

模块	测试内容	结果
CH224A	5~28V 档位诱骗	✅ 稳定
CH32X035	PD 报文监听	✅ 能完整解析
INA226	电压/电流精度	✅ 误差 <1%
MOS 防倒灌	反向插入测试	✅ 无反灌
TFT	LVGL 刷新性能	✅ >30 FPS
整机	20V/5A 功率测试	✅ 通过