CW32數(shù)字電壓電流表-產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

主要功能：

1、對(duì)5-99V的電壓與0.1-3A的電流進(jìn)行測(cè)量與顯示

2、通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送測(cè)得的數(shù)據(jù)

3、作為一款CW32+數(shù)碼管的迷你開(kāi)發(fā)板

設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

1、使用CW32F003E4P7設(shè)計(jì)，使用其內(nèi)置電壓跟隨器的功能簡(jiǎn)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(shí)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(jì)與電路原理：

本項(xiàng)目電路圖采用模塊化繪制，在電路圖中對(duì)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(duì)電路圖進(jìn)行分析

1、供電電路

本項(xiàng)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(chǎng)景中使用，本項(xiàng)目選擇了最高輸入電壓高達(dá)40V的SE8533K2作為電源。本項(xiàng)目沒(méi)有使用DCDC降壓電路來(lái)應(yīng)對(duì)大壓差的主要原因?yàn)闇p少PCB面積占用，次要原因?yàn)榻档捅眍^成本

考慮到高電壓反接將會(huì)給模塊帶來(lái)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(xiàng)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(chǎng)景，二極管的0.7V壓降將不會(huì)供電造成影響。在常規(guī)的電路設(shè)計(jì)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(xiǎn)絲的方案

本項(xiàng)目額外使用了串聯(lián)小電阻（10Ω）來(lái)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(wèn)題，如果實(shí)際使用場(chǎng)景電源電壓小于12V，可以將電阻替換為0Ω電阻來(lái)提升電源效率

SOT-89封裝LDO的2號(hào)焊盤(pán)為散熱焊盤(pán)，由于LDO會(huì)因?yàn)檩^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(pán)連接的銅箔的面積，表頭在2號(hào)焊盤(pán)下設(shè)置了單獨(dú)的銅箔，即上圖中灰色半透明區(qū)域（正面也有設(shè)置獨(dú)立的散熱銅箔區(qū)域），同時(shí)增加了過(guò)孔，以便于將熱量通過(guò)銅箔散發(fā)出去

2、主控芯片

本項(xiàng)目使用CW32F003E4P7作為主控芯片

本項(xiàng)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(guò)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(wèn)題，本模塊并沒(méi)有設(shè)置復(fù)位按鍵，而是在PCB上設(shè)置了一組短接觸點(diǎn)，可以使用鑷子等工具短接該組觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)CW32芯片的復(fù)位.

3、電壓采集電路

本項(xiàng)目采用分壓電路實(shí)現(xiàn)高電壓采集

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(gè)方面：

1、設(shè)計(jì)測(cè)量電壓的最大值，本項(xiàng)目中為100V（實(shí)際最大顯示99.9V）；

2、ADC參考電壓，本項(xiàng)目中為1.5V，該參考電壓可以通過(guò)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(yàn)值將低側(cè)電阻選擇為10K；

隨后便可以通過(guò)以上參數(shù)計(jì)算出分壓電阻的高側(cè)電阻：

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

2、計(jì)算高側(cè)電阻：即低側(cè)電阻/分壓比例，通過(guò)已知參數(shù)可以計(jì)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(jì)算值的電阻，計(jì)算值約為666K，通常我們選擇E24系列電阻，因此本項(xiàng)目中選擇大于666K且最接近的680K

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

1、假設(shè)被測(cè)電壓不高于24V，其他參數(shù)不變

2、通過(guò)計(jì)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(shí)際使用中，需要測(cè)量的電壓或高于模塊99V的設(shè)計(jì)電壓，可以選擇更換分壓電阻或通過(guò)修改基準(zhǔn)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)更大量程的電壓測(cè)量范圍，下面將進(jìn)行案例說(shuō)明：

1、假設(shè)被測(cè)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(guò)公式反推，我們可以計(jì)算出160V*0.0145=2.32V，因此我們可以選擇2.5V的電壓基準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)量程的提升（擴(kuò)大量程將會(huì)降低精度）

考慮到被測(cè)電源可能存在波動(dòng)，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，在低側(cè)分壓電阻上并聯(lián)了0.1uF的濾波電容提高測(cè)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(lái)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(duì)需要注意的部分設(shè)置獨(dú)立的鋪銅規(guī)則來(lái)增加間距。

4、電流采集電路

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

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(gè)方面：

1、設(shè)計(jì)測(cè)量電流的最大值，本項(xiàng)目中為3A

2、檢流電阻帶來(lái)的壓差，一般不建議超過(guò)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(xiàng)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(xiàng)目中沒(méi)有使用放大電路，因此倍率為1

隨后便可以通過(guò)以上參數(shù)計(jì)算出檢流的阻值選擇：

1、由于本項(xiàng)目沒(méi)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(cè)電壓以便于進(jìn)行測(cè)量

2、考慮到更大的電阻會(huì)帶來(lái)更大的壓差、更高的功耗，因此也不能無(wú)限制的選擇更大的電阻

3、本項(xiàng)目選用了2512封裝的電阻，對(duì)應(yīng)的溫升功率為1W

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

表頭在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了貼片采樣電阻不能夠應(yīng)對(duì)不同的使用環(huán)境，尤其是電流較大的場(chǎng)景，因此預(yù)留了10mm間距的康銅絲直插焊盤(pán)，可以更具實(shí)際使用場(chǎng)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(pán)

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(huì)有大電流通過(guò)，屬于“功率地”，即使該點(diǎn)已經(jīng)接地也會(huì)因?yàn)殡娏鞯牟▌?dòng)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(gè)“干擾源”；而GND網(wǎng)絡(luò)為表頭電源負(fù)極，即“信號(hào)地”，同時(shí)，由于單片機(jī)的AGND與表頭GND并未進(jìn)行隔離，那此時(shí)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(shí)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(diǎn)緊靠RC濾波網(wǎng)絡(luò)的電容負(fù)極，進(jìn)一步減少干擾對(duì)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(guò)接口的I+流入、流經(jīng)采樣電阻、通過(guò)接口的I-流出，因此從相對(duì)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(diǎn)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(xiàng)目使用KT6368A作為藍(lán)牙主控芯片

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

為了降低項(xiàng)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(shí)際使用場(chǎng)景對(duì)通信距離有要求，可根據(jù)實(shí)際情況改為不同的天線類型

6、數(shù)碼管

本項(xiàng)目采用了數(shù)碼管作為顯示單元

在本項(xiàng)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(shí)別度，可以根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境的需求，改為更小的限流電阻實(shí)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(huì)像顯示屏一樣容易被外力損壞

在本項(xiàng)目中，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，數(shù)碼管的限流電阻被配置為300Ω，對(duì)應(yīng)的亮度無(wú)論是紅色還是藍(lán)色數(shù)碼管，均具有較好的識(shí)別度，且亮度柔和不刺眼

7、按鍵

本項(xiàng)目預(yù)留有一顆按鍵與配套電路

考慮到用戶可能需要對(duì)表頭進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，本項(xiàng)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(shí)現(xiàn)不同的功能。

審核編輯 黃宇