基于CW32L010F8U6芯片的USB充電檢測儀解決方案

以下文章來源于CW32生態(tài)社區(qū) ，作者CW32

實物展示

LCD版

數(shù)碼管版

模塊正面

模塊反面

一 引言

在當今智能設(shè)備時代，USB充電技術(shù)普及，高效的USB充電檢測儀對設(shè)備運行和壽命至關(guān)重要。本文介紹一款基于CW32L010F8U6芯片的USB充電檢測儀。

該檢測儀設(shè)計為數(shù)碼管版和LCD版同板，因顯示引腳共用，故實際使用時需二選一。前者具備電壓、電流檢測、功率計算和溫度檢測功能，后者增加電量計算功能。這些功能得益于CW32L010的ADC、SPI等接口功能。這款檢測儀高性能、低功耗，提供可靠檢測結(jié)果，適用于家庭和辦公環(huán)境，確保設(shè)備最佳工作狀態(tài)。

二CW32L010單片機特點

內(nèi)核：ARM Cortex-M0+： 最高主頻 48MHz

● 工作溫度：-40℃ 至 85℃；工作電壓：1.62V 至 5.5V

● 存儲容量

? 最大 64K 字節(jié) FLASH，數(shù)據(jù)保持 25 年 @-40℃ ~ +85℃，支持擦寫保護、讀保護和安全運行庫保護功能

? 最大 4K 字節(jié) RAM，支持硬件奇偶校驗

? 22 字節(jié) OTP 存儲器

● CRC 硬件計算單元

● 復位和電源管理

? 低功耗模式（Sleep，DeepSleep）

? 上電和掉電復位（POR/BOR）

? 可編程低電壓檢測器（LVD）

● 時鐘管理

? 4 ~ 32MHz 晶體振蕩器

? 32kHz 低速晶體振蕩器

? 內(nèi)置 48MHz RC 振蕩器

? 內(nèi)置 32kHz RC 振蕩器

? 時鐘監(jiān)測系統(tǒng)

? 允許獨立關(guān)斷各外設(shè)時鐘

● 支持最多 16+1 路 I/O 接口

? 所有 I/O 口支持具備濾波的中斷功能

? 所有 I/O 口支持具備濾波的喚醒功能

? 所有 I/O 口支持遲滯及上拉輸入

? 所有 I/O 口支持推挽及開漏輸出

● 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器

? 最高 2M SPS 轉(zhuǎn)換速度，各序列通道采樣時間可單獨配置

? 具備 8 個轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器

? 內(nèi)置 1.2V 電壓基準

? 模擬看門狗功能

? 內(nèi)置溫度傳感器

● 雙路電壓比較器

● 實時時鐘和日歷

● 定時器

? 16 位高級控制定時器，支持 6 路輸入捕獲，支持 6 對帶死區(qū)的互補 PWM 輸出，支持雙點比較，支持PWM 移相

? 一組 16 位通用定時器

? 三組 16 位基本定時器

? 一組 16 位低功耗定時器

? 獨立看門狗定時器

● 通信接口

? 二路低功耗 UART，支持小數(shù)波特率，支持低功耗接收數(shù)據(jù)，支持可配置電平轉(zhuǎn)換，其中一路支持

LIN 通信接口

? 一路 SPI 接口 24Mbit/s，支持 4~16bit 位寬

? 一路 I2C 接口 1Mbit/s，支持可配置電平轉(zhuǎn)換，支持 SMBUS

? IR 調(diào)制器，可編程占空比和極性

● 串行調(diào)試接口 (SWD)

● 80 位唯一 ID

三系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

四參數(shù)功能說明

(1) 電壓測量范圍：0-30V。

(2) 電流測量范圍：0-3A。

(3) 顯示分辨率：

①數(shù)碼管版：電壓0.1V，電流0.01A，功率0.1W，溫度0.1℃；

②LCD版：電壓0.01V，電流0.01A，功率0.01W，溫度0.1℃，電量0.01Wh。

(4) 測量精度：電壓±0.04V，電流±0.02A。

(5) 工作溫度：-40℃~85℃。

(6) 顯示方式：（響應(yīng)時間≤0.2秒）

①數(shù)碼管版：獨頁分別顯示電壓，電流，功率，溫度(可切換)；

②LCD版：詳情顯示電壓，電流，功率，電量，溫度以及充電時間；

(7) 分辨率切換：僅LCD版本會根據(jù)參數(shù)值切換分辨率以及測量精度。

五硬件原理圖

5.1 電壓檢測

通過適當?shù)姆謮弘娐罚瑢⒋郎y電壓降低到CW32芯片可接受的范圍內(nèi)，然后接入CW32的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）進行數(shù)字化處理。在原理圖中，可以看到，使用了PB06 作為電壓采集通道。分壓電阻為82K+10K，因此分壓比例為8.2:1。

如果使用1.2V作為參考電壓，根據(jù)R12和R13的阻值配比可以得到最高采樣電壓為：

1.2 / 10 * （82 + 10）= 11.04V

如果使用3.3V作為參考電壓，根據(jù)R12和R13的阻值配比可以得到最高采樣電壓為：

3.3 / 10 * （82 + 10）= 30.36V

因此不同的應(yīng)用場景可以根據(jù)采集電壓范圍大小來選擇參考電壓或匹配分壓電阻。當電阻精度越高時，采樣的越精確。

所以，需要測量的電壓高于模塊12V的設(shè)計電壓時，可以選擇更換分壓電阻或通過修改基準電壓來實現(xiàn)更大量程的電壓測量范圍。

5.2電流檢測

使用芯片INA199A1DCKR是一款由Texas Instruments（德州儀器）生產(chǎn)的電流檢測放大器，廣泛用于電流采集檢測。INA199A1DCKR通過差分電路和采樣電阻對電流進行采集。具體來說，電流通過采樣電阻時會產(chǎn)生一個壓降，這個壓降被差分放大器放大，并轉(zhuǎn)換為一個與電流成正比的輸出電壓。通過這種方式，可以實現(xiàn)對電流的精確測量。

關(guān)鍵參數(shù)：

(1)增益：INA199A1DCKR的增益倍數(shù)由內(nèi)部電阻R1和R3的比值決定。例如，如果R1=1MΩ，R3=20KΩ，則增益倍數(shù)為50V/V。這意味著輸出電壓是輸入電壓（即采樣電阻上的壓降）的50倍。

(2)共模電壓范圍：INA199A1DCKR的共模電壓范圍為-0.1V至26V。共模電壓是指運放兩個輸入端相對于地的平均電壓。在選擇電流采樣方案時，需要考慮共模電壓范圍，以確保運放不會失真。

(3)電源電壓：INA199A1DCKR的電源電壓范圍為2.7V至26V。在這個范圍內(nèi)，芯片可以正常工作并提供穩(wěn)定的輸出。

(4)準確性：INA199A1DCKR的電流檢測準確性為±1.5%，這意味著在測量過程中會有一定的誤差，但通常這個誤差是可以接受的。

具體代碼實現(xiàn)(結(jié)合原理圖)：

代碼中Ipiancha為電流偏置，通過ADC11采集；I_Buffer為電流參數(shù)，通過ADC12采集。減去偏置后的AD值進行換算處理即可得到。

5.3 溫度檢測

溫度參數(shù)采用查表法，參考NTC手冊。

NTC型號：KNTC0603/10KF3950；

電氣特性表：

R-T表部分參數(shù)：

代碼部分：僅需傳入采集的電壓AD值，這里存放了0-100攝氏度參數(shù)，可以滿足使用需求范圍，將參數(shù)放大1000倍更方便存儲及計算，再通過二分法進行參數(shù)區(qū)間的換算即可得到溫度。

5.4數(shù)碼管顯示

選取3位數(shù)碼管(帶VA)6PIN接口，驅(qū)動方式詳見例程代碼。

型號：HMD-16508-6L

5.5LCD顯示

選用0.96寸TFTLCD，，驅(qū)動方式詳見例程代碼。

相關(guān)參數(shù)見下圖：

六產(chǎn)品使用方法

6.1數(shù)碼管版：

此提供了1個按鍵，5個頁面，以及兩個待機跳轉(zhuǎn)功能，每個頁面由按鍵K1進行切換。

頁面一，電流顯示，數(shù)碼管右下方會顯示單位安培；

頁面二，電壓顯示，數(shù)碼管右上方會顯示單位伏特；

頁面三，功率顯示，數(shù)碼管右方會同時顯示單位伏特以及安培；

頁面四，溫度顯示，數(shù)碼管右方單位完全熄滅；

頁面五，熄屏顯示，數(shù)碼管以呼吸燈的方式顯示一個點。

待機跳轉(zhuǎn)功能介紹：

若處于充電狀態(tài)且未處于熄屏頁面，在間隔一定時間后會跳轉(zhuǎn)到電流顯示頁面；

若處于非充電狀態(tài)且未處于熄屏頁面，在間隔一定時間后會跳轉(zhuǎn)到電壓顯示頁面。

6.2LCD版：

此提供了1個按鍵，3個頁面，每個頁面由按鍵K1進行切換。

頁面一，詳情內(nèi)容顯示，左側(cè)展示充電時間以及溫度的數(shù)據(jù)，右側(cè)展示電壓，電流，功率，電量的數(shù)據(jù)，只在充電時展示當前累計充電時間和電量的數(shù)據(jù)，反之數(shù)據(jù)為零；

頁面二，主要內(nèi)容顯示，以更大字體的方式展示電壓，電流，功率的數(shù)據(jù)；

頁面三，熄屏顯示，LCD屏幕以呼吸燈的方式顯示一個點。