CW32數(shù)字電壓電流表-產(chǎn)品硬件設(shè)計要點

主要功能：

1、對5-99V的電壓與0.1-3A的電流進(jìn)行測量與顯示

2、通過藍(lán)牙發(fā)送測得的數(shù)據(jù)

3、作為一款CW32+數(shù)碼管的迷你開發(fā)板

設(shè)計要點：

1、使用CW32F003E4P7設(shè)計，使用其內(nèi)置電壓跟隨器的功能簡化外圍電路

2、使用了和市面電壓電流表的同款接口（XH2.54+CH3.96），方便通用

3、最大40V的表頭供電電壓，覆蓋大部分常用電壓范圍

4、板載低成本藍(lán)牙通信電路，使用單芯片+晶振便可實現(xiàn)BLE通信

5、模塊使用的所有0603器件使用了更加方便手工焊接的0603L封裝

電路設(shè)計與電路原理：

本項目電路圖采用模塊化繪制，在電路圖中對不同模塊使用線條進(jìn)行了分區(qū)以便于讀圖，下面將分模塊對電路圖進(jìn)行分析

1、供電電路

本項目使用LDO作為電源，考慮到電壓表頭可能在24V或36V供電的工業(yè)場景中使用，本項目選擇了最高輸入電壓高達(dá)40V的SE8533K2作為電源。本項目沒有使用DCDC降壓電路來應(yīng)對大壓差的主要原因為減少PCB面積占用，次要原因為降低表頭成本

考慮到高電壓反接將會給模塊帶來不可逆的損壞，電壓表頭供電電路采用了串聯(lián)二極管的方案進(jìn)行防反接

注：本項目使用串聯(lián)二極管進(jìn)行防反接考慮到了本設(shè)備供電電壓通常高于5V的使用場景，二極管的0.7V壓降將不會供電造成影響。在常規(guī)的電路設(shè)計中不推薦該方案，而是建議使用反向并聯(lián)二極管+串接保險絲的方案

本項目額外使用了串聯(lián)小電阻（10Ω）來進(jìn)行分壓操作，從而減少在高電壓情況下LDO由于較大的壓差導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重的問題，如果實際使用場景電源電壓小于12V，可以將電阻替換為0Ω電阻來提升電源效率

SOT-89封裝LDO的2號焊盤為散熱焊盤，由于LDO會因為較大的壓差導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重，因此需要擴(kuò)大與散熱焊盤連接的銅箔的面積，表頭在2號焊盤下設(shè)置了單獨的銅箔，即上圖中灰色半透明區(qū)域（正面也有設(shè)置獨立的散熱銅箔區(qū)域），同時增加了過孔，以便于將熱量通過銅箔散發(fā)出去

2、主控芯片

本項目使用CW32F003E4P7作為主控芯片

本項目使用了CW32F003的最小系統(tǒng)，既主控芯片+復(fù)位電路，而不需要晶振等其余外圍電路，其中芯片的PA05和PA02分別為SWD接口的CLK和DIO引腳，表頭模塊通過2.54標(biāo)準(zhǔn)間距的排針引出了相關(guān)引腳.

考慮到模塊的尺寸問題，本模塊并沒有設(shè)置復(fù)位按鍵，而是在PCB上設(shè)置了一組短接觸點，可以使用鑷子等工具短接該組觸點實現(xiàn)CW32芯片的復(fù)位.

3、電壓采集電路

本項目采用分壓電路實現(xiàn)高電壓采集

本項目設(shè)計分壓電阻為680K+10K，因此分壓比例為69:1（約等于0.0145）

分壓電阻選型主要需要參考以下幾個方面：

1、設(shè)計測量電壓的最大值，本項目中為100V（實際最大顯示99.9V）；

2、ADC參考電壓，本項目中為1.5V，該參考電壓可以通過程序進(jìn)行配置；

3、功耗，為了降低采樣電路的功耗，通常根據(jù)經(jīng)驗值將低側(cè)電阻選擇為10K；

隨后便可以通過以上參數(shù)計算出分壓電阻的高側(cè)電阻：

1、計算所需的分壓比例：即ADC參考電壓:設(shè)計輸入電壓，通過已知參數(shù)可以計算出1.5V/100V≈0.015

2、計算高側(cè)電阻：即低側(cè)電阻/分壓比例，通過已知參數(shù)可以計算出10K/0.015≈666.666K

3、選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻：選擇一顆等于或略高于計算值的電阻，計算值約為666K，通常我們選擇E24系列電阻，因此本項目中選擇大于666K且最接近的680K

如果在實際使用中，需要測量的電壓低于2/3的模塊設(shè)計電壓66V，則可以根據(jù)實際情況更換分壓電阻并修改程序從而提升測量的精度，下面將進(jìn)行案例說明：

1、假設(shè)被測電壓不高于24V，其他參數(shù)不變

2、通過計算可以得到1.5V/24V=0.0625，10K/0.0625=160K，160K為標(biāo)準(zhǔn)E24電阻可以直接選用，或適當(dāng)留出冗余量選擇更高阻值的180K。

如果在實際使用中，需要測量的電壓或高于模塊99V的設(shè)計電壓，可以選擇更換分壓電阻或通過修改基準(zhǔn)電壓來實現(xiàn)更大量程的電壓測量范圍，下面將進(jìn)行案例說明：

1、假設(shè)被測電壓為160V，選擇提升電壓基準(zhǔn)的方案擴(kuò)大量程

2、已知選用電阻的分壓比例為0.0145，通過公式反推，我們可以計算出160V*0.0145=2.32V，因此我們可以選擇2.5V的電壓基準(zhǔn)來實現(xiàn)量程的提升（擴(kuò)大量程將會降低精度）

考慮到被測電源可能存在波動，在電路設(shè)計時，在低側(cè)分壓電阻上并聯(lián)了0.1uF的濾波電容提高測量穩(wěn)定性

在PCB進(jìn)行Layout需要特別注意，由于需要采樣的電壓可能較高，因此需要在線路與鋪銅之間設(shè)置更大的間距已保證安全性，在上圖中，我使用了“鋪銅禁止區(qū)域”來避免鋪銅靠近網(wǎng)絡(luò)的線路，另外也可以使用“約束區(qū)域”對需要注意的部分設(shè)置獨立的鋪銅規(guī)則來增加間距。

4、電流采集電路

本項目采用低側(cè)電流采樣電路進(jìn)行電流檢測，采樣電路的低側(cè)與表頭供地

本項目設(shè)計的采樣電流為3A，選擇的采樣電阻為100mΩ

采樣選型主要需要參考以下幾個方面：

1、設(shè)計測量電流的最大值，本項目中為3A

2、檢流電阻帶來的壓差，一般不建議超過0.5V

3、檢流電阻的功耗，應(yīng)當(dāng)根據(jù)該參數(shù)選擇合適的封裝，本項目考慮到PCB尺寸，選擇了2512封裝

4、檢流電阻上電壓的放大倍數(shù)：本項目中沒有使用放大電路，因此倍率為1

隨后便可以通過以上參數(shù)計算出檢流的阻值選擇：

1、由于本項目沒有使用放大電路，因此需要選擇更大的采樣電阻獲得更高的被測電壓以便于進(jìn)行測量

2、考慮到更大的電阻會帶來更大的壓差、更高的功耗，因此也不能無限制的選擇更大的電阻

3、本項目選用了2512封裝的電阻，對應(yīng)的溫升功率為1W

綜合以上數(shù)據(jù)，本項目選擇了100mΩ的檢流電阻，根據(jù)公式可以計算出3A*100mΩ=300mV,900mW

表頭在設(shè)計時考慮到了貼片采樣電阻不能夠應(yīng)對不同的使用環(huán)境，尤其是電流較大的場景，因此預(yù)留了10mm間距的康銅絲直插焊盤，可以更具實際使用場景，使用康銅絲替換貼片采樣電阻

下圖中紅色方框框選出的即是康銅絲焊接焊盤

在PCB進(jìn)行Layout也需要特別注意，雖然I-網(wǎng)絡(luò)與GND網(wǎng)絡(luò)在電氣上為同一網(wǎng)絡(luò)，但是需要注意的是I-會有大電流通過，屬于“功率地”，即使該點已經(jīng)接地也會因為電流的波動造成網(wǎng)絡(luò)電平變化，因此我們可以將該網(wǎng)絡(luò)視為一個“干擾源”；而GND網(wǎng)絡(luò)為表頭電源負(fù)極，即“信號地”，同時，由于單片機(jī)的AGND與表頭GND并未進(jìn)行隔離，那此時可以將表頭GND視為“敏感地”，因此需要避免被干擾，因此在Layout時選擇在I-網(wǎng)絡(luò)附近設(shè)置了鋪銅禁止區(qū)，再使用導(dǎo)線將I-網(wǎng)絡(luò)與GND網(wǎng)絡(luò)相連接，并且連接點緊靠RC濾波網(wǎng)絡(luò)的電容負(fù)極，進(jìn)一步減少干擾對GND網(wǎng)絡(luò)的影響。

在上圖中，黃色箭頭標(biāo)注的即為大電流流通路徑，通過接口的I+流入、流經(jīng)采樣電阻、通過接口的I-流出，因此從相對遠(yuǎn)離大電流路徑的左下角（黃色圓圈處）引線將I-網(wǎng)絡(luò)與GND網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電氣連接，該點也緊靠采樣電路的RC濾波網(wǎng)絡(luò)的C6電容負(fù)極。

5、藍(lán)牙通信電路

本項目使用KT6368A作為藍(lán)牙主控芯片

本項目只需要通過藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)透傳，也就是通過藍(lán)牙把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，便于用戶通過手機(jī)或電腦對被測電壓電流進(jìn)行無線監(jiān)控，不需要其他復(fù)雜功能，因此本項目中選擇了外圍電路極其簡單的KT6368A，只需要使用單芯片+晶振便可實現(xiàn)BLE通信，同時該芯片為雙模芯片，還可以支持SPP通信

為了降低項目成本，模塊采用了PCB板載天線替代外接天線或陶瓷天線，在室內(nèi)環(huán)境依舊可以保持良好的通信效果，若實際使用場景對通信距離有要求，可根據(jù)實際情況改為不同的天線類型

6、數(shù)碼管

本項目采用了數(shù)碼管作為顯示單元

在本項目中使用了兩顆0.28寸的三位共陰數(shù)碼管作為顯示器件，相較于顯示屏，數(shù)碼管在復(fù)雜環(huán)境中擁有更好的識別度，可以根據(jù)實際使用環(huán)境的需求，改為更小的限流電阻實現(xiàn)更高的數(shù)碼管亮度；在另一方面，數(shù)碼管擁有較好的機(jī)械性能，不會像顯示屏一樣容易被外力損壞

在本項目中，經(jīng)過實際測試，數(shù)碼管的限流電阻被配置為300Ω，對應(yīng)的亮度無論是紅色還是藍(lán)色數(shù)碼管，均具有較好的識別度，且亮度柔和不刺眼

7、按鍵

本項目預(yù)留有一顆按鍵與配套電路

考慮到用戶可能需要對表頭進(jìn)行二次開發(fā)，本項目預(yù)留有一顆按鍵，按鍵io默認(rèn)上拉，按下后則拉低，用戶可以根據(jù)需求修改程序代碼，使用按鍵實現(xiàn)不同的功能。

審核編輯 黃宇