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DIY USB 电流表(7):读取和显示 INA219 电流电压数据

在前一篇 《DIY USB 电流表(6):点个屏,使用 I2C 驱动 0.96 寸 OLED》 中,我们已经完成了屏幕显示驱动的开发,并且根据需求,列出了需要展示的数据项,确定了一下最终显示内容的布局。

在之前,显示的内容都是占位的测试数据,在这一节,就可以开始真正去读取 INA219 传感器的数据,将电路中测量的电压、电流等数据显示在屏幕上,这又是一节枯燥的编码工作 🙈。

PS. 我也还是一个初学者,如果文章中有一些错误或不足,还请多多指教。

准备工作

在开始读取 INA219 的数据之前,同样也要准备一些相关的库,例如 INA219 数据的读取、参数的配置,以及在 CH32V003-GameConsole 中所使用的 I2C 封装并未提供读取 I2C 数据方法,另外,为了计算 USB 电流表运行时间内消耗的电量,也需要有相关的计时方法。

I2C 读取方法

在 CH32V003-GameConsole 的代码中,已经有了 i2c_tx.h,提供了 I2C 写入相关的方法,对于一个游戏机来说,拥有写入方法就足够了,它只需要用 I2C 来刷新屏幕,但是在我们的 USB 电流表项目中,还需要使用 I2C 去读取 INA219 的数据,因此需要去封装一个 I2C 读取方法。

在开始编写 …

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DIY USB 电流表(6):点个屏,使用 I2C 驱动 0.96 寸 OLED

在前一篇 《DIY USB 电流表(5):使用 VSCode + PlatformIO 搭建固件开发环境》 中,我们已经完成了开发 USB 电流表固件的开发环境搭建,整个开发环境基于 Visual Studio Code + PlatformIO 来完成,并且跑通了一个基本的 Demo,验证了开发环境。

固件开发的第一步,我们先将最终输出数据的显示设备,0.96 寸 OLED 屏幕给点亮,这样在后续开发过程中,也可以通过屏幕来显示一个调试数据信息。

PS. 我也还是一个初学者,如果文章中有一些错误或不足,还请多多指教。

准备工作

在开始开发之前,我们需要做一些准备工作,使用 PlatformIO 创建项目并不包含很多使用示例,例如如何使用 GPIO,如何使用 I2C 总线等,并且使用 platform-ch32v 时,它的函数定义与官方示例也不太相同,因此我们需要找一个类似的开源项目作为参考,从而可以更快速地完成 USB 电流表的固件开发。

参考项目 CH32V003-GameConsole

项目地址:https://github.com/wagiminator/CH32V003-GameConsole

diy-usb-meter-6-1

我就从 CH32V003-GameConsole 这个项目了解到 CH32V003 这款 MCU,并且开始尝试使用的,刚好这个项目本身包含了 0.96 寸 OLED 屏幕的驱动以及 GPIO、ADC …

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DIY USB 电流表(5):使用 VSCode + PlatformIO 搭建固件开发环境

在前一篇 《DIY USB 电流表(4):PCB 焊接与调试》 中,我们已经完成了 USB 电流表的焊接,有了硬件之后,就可以开始给它注入灵魂——开发固件了。

首先完成开发环境的搭建,由于我平时都是使用的 MacBook 作为开发机,因此这里以 macOS 作为开发平台来介绍开发环境的搭建。当然 Visual Studio、PlatformIO 这些本身也都是跨平台的,在其他系统配置这一套开发环境的步骤也类似,也可以参考。

PS. 我也还是一个初学者,如果文章中有一些错误或不足,还请多多指教。

开发环境介绍

Visual Studio Code

diy-usbmeter-5-1

项目地址:https://code.visualstudio.com/

Visual Studio Code 是一款由微软开发且跨平台的免费源代码编辑器。该软件以扩展的方式支持语法高亮、代码自动补全、代码重构功能,并且内置了命令行工具和 Git 版本控制系统。用户可以更改主题和键盘快捷方式实现个性化设置,也可以通过内置的扩展程序商店安装其他扩展以拓展软件功能。

一般来说,做嵌入式固件开发工作,通常会在 Windows 系统上完成,并且有完整的 IDE 可以使用,例如像 Keil。或者像在这个项目中所使用的 MCU CH32V003,沁恒也提代了一个 IDE MounStudio。

但是因为现在很多嵌入式开发相关的工具链都提供了跨平台的平台,编译器、烧录程序等都可以直接在 macOS 平台上使用,因此现在使用 macOS 来作为嵌入式开发平台也并没有太大的阻碍。

我在 macOS 上使用的编辑器是 Visual Studio …

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DIY USB 电流表(4):PCB 焊接与调试

在前一篇 DIY USB 电流表(3):PCB 免费打样详解 中,我们已经完成了 PCB 的下单,坐等几天就可以将生产完成的 PCB 拿到手了。在 PCB 到手之前,可以先把焊接组装需要的元器件先采购起来,毕竟这个也需要两天时间才能快递到手。

等到焊接 PCB 所需要的元器件都到手之后,就可以将我们的 PCB 组装起来了。

PS. 我也还是一个初学者,如果文章中有一些错误或不足,还请多多指教。

元器件采购

在采购元器件前,我们可以先在立创 EDA 中将物料清单(俗称 BOM)导出,在立创 EDA 中使用 导出》物料清单(BOM)... 菜单就可以导出 BOM。

物料清单 (BOM),也称为产品结构,是构建、制造或维修产品或服务所需的所有物料的列表。物料清单充当集中式源,包含从原材料阶段制造产品所需的所有信息。

diy-usbmeter-bom-1

BOM 导出后是一个 Excel 文件,打开后就可以看到它包含了这块 PCB 所需要的全部相关元器件:

diy-usbmeter-bom-2

如果直接在立创商城购买这些元器件,可以在导出 BOM 对话框中选择 元件下单,这样就会将 BOM 上传到立创商城,并开启 BOM 配单服务,可以自动根据 BOM 表中的内容匹配到合适的元器件,省去了一个一个查找并添加到购物车的过程。

diy-usbmeter-bom-3

当然立创商城购买元器件的价格并不一定是最优的,淘宝上很多商家也提供配单服务。不过立创商城的东西比较齐全,对于一些低价元器件,还是可以考虑直接在立创商城一站配齐的,对于差价比较大的元器件,我也都是选择在淘宝上购买。

例如这个 …

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DIY USB 电流表(3):PCB 免费打样详解

在前两篇文章中,我们已经完成了 DIY USB 电流表的元件选型、原理图绘制和 PCB 布局布线,完成这些后,就可以将 PCB 文件导出给到板厂进行生产啦,很快就可以拥有一块自己设计的 PCB 了。

如果还没有完成 PCB 设计,可以参考前两篇文章:

PS. 我也还是一个初学者,如果文章中有一些错误或不足,还请多多指教。

PCB 免费打样

得意于 PCB 板厂间的竞争,现在有不少板厂提供了免费打样服务,例如嘉立创、捷配等。有了这些提供免费打样服务的 PCB 板厂,作为电子 DIY 爱好者也可以低成本的拥有一块正经生产出来的 PCB 来完成一些产品了,而不是只能使用万用板和飞线来制作。

我现在用过两家板厂的免费打样服务,分别是嘉立创和捷配,目前两家的规则差不多,都是一个月内有两次免费打样机会。

嘉立创

嘉立创是我用过最多的免费打样服务板厂了,他的免费打样服务范围相当广,FR-4 2、4、6 层板,FPC 柔性电路板,铝基板等都可以进行免费打样,结合立创 EDA,整体下单流程很顺畅。

另外嘉立创 PCB 阻焊油墨除绿色外的颜色也是可以免费使用的,PCB 生产时间相比绿色会多一两天,但是可以拥有红色、蓝色、紫色、黑色 PCB,还是相当值得的。

嘉立创免费打样一般都是给 …

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DIY USB 电流表(2):PCB 布局布线

在前一篇 《DIY USB 电流表(1):元件选型和原理图绘制》 中介绍了 DIY 一个 USB 电流表的需求列表,以及将它所需要的元件确定下来,并在立创 EDA 中将整体功能的原理图绘制完成,现在就可以开始在立创 EDA 中进行布局布线了。

PS. 我也还是一个初学者,如果文章中有一些错误或不足,还请多多指教。

布局布线效果预览

pcb preview

转换原理图到 PCB

通过立创 EDA 的 设计>更新/转换原理图到PCB 菜单,就可以将原理图中所有元件放置到 PCB 设计页面中,并且已经都将每个元件的网络配置且连接好。

pcb design 1

布局布线

设计预期外形

我们首先需要做的就是将元件根据用途大概放置到对应的区域,先来根据目标的形态绘制一个草图。

pcb design 2

初步确定布局

首先使用放置板框功能,画一个 PCB 的边框,可以根据实际预期 PCB 大小,将板框设置成那个尺寸,例如这里先设置成 45mm*70mm。

这里可以使用立创 EDA 的交叉选择功能,在原理图中选择对应功能区域的元件,然后按 Shift+X,就可以在 PCB 设计页面中选择对应的元件,方便将归属于同一功能的元件都选中,然后放置到目标位置去。

pcb layout

这样就可以大概将整体布局确定下来,后续就可以在这个基础上进行布线了,当然最终效果会比这个紧凑很多,可以在布线过程中不断调整。

精细调整布局

在初步确定布局之后,就可以根据每个模块的功能,将它们目标的布局确定下来,例如这里 DC-DC 模块,就可以根据一般 DC-DC 模块布局的需求,先把相关电阻、电容、电感的位置放置完毕,再进行最后的布线。

像 …

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DIY USB 电流表(1):元件选型和原理图绘制

USB 电流表在电子 DIY 中还是比较常用的,可以用它来观察目标设备的实时电流、电压以及功耗。

作为电子 DIY 爱好者,做一个自己的 USB 电流表也是一件顺理成章的事。这里把之前已经开源的一个 USB 电流表的原理图来添加一些详细说明,对于初学者来说可以大概搞明白一个简单设备的原理图该怎么画。

当然我也还是一个初学者,如果文章中有一些错误或不足,还请多多指教。

USB 电流表成品效果

电压、电流、功率、容量界面

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功率历史图表界面

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需求分析和元件选型

在最开始搞一个入门 DIY 的产品,还是不要搞太复杂,尽量从简单的开始,先确定一下需求范围,降低整体开发难度,一方面减少原理图绘制之类的工作量,另外一方面,也可以增加成功率,防止半路弃坑 🤣。

需求分析

作为一个 USB 电流表,主要功能就是电流、电压等指标的采集,以及作为现在已经普及度非常高的 USB Type-C 接口和 USB PD 充电都需要支持一下,然后再通过屏幕展示出来采集的数据就可以了。

因此根据需求大概确定以下功能点:

  • USB Type-C 输入与输出
  • PD 协议透传
  • 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 12864 OLED


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