CW32數字電壓電流表-產品硬件設計要點

主要功能：

1、對5-99V的電壓與0.1-3A的電流進行測量與顯示

2、通過藍牙發送測得的數據

3、作為一款CW32+數碼管的迷你開發板

設計要點：

1、使用CW32F003E4P7設計，使用其內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、板載低成本藍牙通信電路，使用單芯片+晶振便可實現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行了分區以便于讀圖，下面將分模塊對電路圖進行分析

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供電的工業場景中使用，本項目選擇了最高輸入電壓高達40V的SE8533K2作為電源。本項目沒有使用DCDC降壓電路來應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二極管的方案進行防反接

注：本項目使用串聯二極管進行防反接考慮到了本設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。在常規的電路設計中不推薦該方案，而是建議使用反向并聯二極管+串接保險絲的方案

本項目額外使用了串聯小電阻（10Ω）來進行分壓操作，從而減少在高電壓情況下LDO由于較大的壓差導致發熱嚴重的問題，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致發熱嚴重，因此需要擴大與散熱焊盤連接的銅箔的面積，表頭在2號焊盤下設置了單獨的銅箔，即上圖中灰色半透明區域（正面也有設置獨立的散熱銅箔區域），同時增加了過孔，以便于將熱量通過銅箔散發出去

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，既主控芯片+復位電路，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標準間距的排針引出了相關引腳.

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

3、電壓采集電路

本項目采用分壓電路實現高電壓采集

本項目設計分壓電阻為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行配置；

3、功耗，為了降低采樣電路的功耗，通常根據經驗值將低側電阻選擇為10K；

隨后便可以通過以上參數計算出分壓電阻的高側電阻：

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

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

3、選擇標準電阻：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的模塊設計電壓66V，則可以根據實際情況更換分壓電阻并修改程序從而提升測量的精度，下面將進行案例說明：

1、假設被測電壓不高于24V，其他參數不變

2、通過計算可以得到1.5V/24V=0.0625，10K/0.0625=160K，160K為標準E24電阻可以直接選用，或適當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的設計電壓，可以選擇更換分壓電阻或通過修改基準電壓來實現更大量程的電壓測量范圍，下面將進行案例說明：

1、假設被測電壓為160V，選擇提升電壓基準的方案擴大量程

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的電壓基準來實現量程的提升（擴大量程將會降低精度）

考慮到被測電源可能存在波動，在電路設計時，在低側分壓電阻上并聯了0.1uF的濾波電容提高測量穩定性

在PCB進行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“鋪銅禁止區域”來避免鋪銅靠近網絡的線路，另外也可以使用“約束區域”對需要注意的部分設置獨立的鋪銅規則來增加間距。

4、電流采集電路

本項目采用低側電流采樣電路進行電流檢測，采樣電路的低側與表頭供地

本項目設計的采樣電流為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，應當根據該參數選擇合適的封裝，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：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，對應的溫升功率為1W

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

表頭在設計時考慮到了貼片采樣電阻不能夠應對不同的使用環境，尤其是電流較大的場景，因此預留了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進行Layout也需要特別注意，雖然I-網絡與GND網絡在電氣上為同一網絡，但是需要注意的是I-會有大電流通過，屬于“功率地”，即使該點已經接地也會因為電流的波動造成網絡電平變化，因此我們可以將該網絡視為一個“干擾源”；而GND網絡為表頭電源負極，即“信號地”，同時，由于單片機的AGND與表頭GND并未進行隔離，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-網絡附近設置了鋪銅禁止區，再使用導線將I-網絡與GND網絡相連接，并且連接點緊靠RC濾波網絡的電容負極，進一步減少干擾對GND網絡的影響。

在上圖中，黃色箭頭標注的即為大電流流通路徑，通過接口的I+流入、流經采樣電阻、通過接口的I-流出，因此從相對遠離大電流路徑的左下角（黃色圓圈處）引線將I-網絡與GND網絡進行電氣連接，該點也緊靠采樣電路的RC濾波網絡的C6電容負極。

5、藍牙通信電路

本項目使用KT6368A作為藍牙主控芯片

本項目只需要通過藍牙進行數據透傳，也就是通過藍牙把數據發送出去，便于用戶通過手機或電腦對被測電壓電流進行無線監控，不需要其他復雜功能，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，在室內環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，可根據實際情況改為不同的天線類型

6、數碼管

本項目采用了數碼管作為顯示單元

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

在本項目中，經過實際測試，數碼管的限流電阻被配置為300Ω，對應的亮度無論是紅色還是藍色數碼管，均具有較好的識別度，且亮度柔和不刺眼

7、按鍵

本項目預留有一顆按鍵與配套電路

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

審核編輯 黃宇