内容介绍

RP2040电压电流表

使用带屏版的12指神探制作的非常简单的电压/电流表

特点

深色/浅色主题
自动量程切换
电压/电流同时测量
电压测量范围：0 - 14V
电流测量范围：0 - 1.4A
电压测量精度：10mV
电流测量精度：10mA

硬件方案

hw_diagram
该仪表使用带屏版的12指神探作为主控，它是由硬禾学堂制造的开发板，具有以下特点：

MCU: RP2040，双核 ARM Cortex-M0+ 处理器，具有 264KB 的 SRAM
闪存：2MB SPI NOR Flash
显示屏：240x240 ST7789 LCD
USB-C接口用于供电和编程/调试
一个 12 针连接器用于电源输出和 9 个 GPIO（包括 3 个 ADC 通道）

该仪表使用一块自制的模拟前端扩展板，用于电压/电流信号的采集和初步处理，原理图如下：

其中左下角为扩展板的电源，从主控取5V供电，用一个LDO产生3V3的电压给模拟前端。虽然主控已经有3V3电源输出，但是查原理图发现其它是DC-DC电源，纹波较大，不适合模拟电路使用，因此扩展板采用了独立的LDO。

原理图其余部分左边是电压信号处理，使用低压Rail-to-Rail运放LMV321搭建了一个差分放大器，用双刀四掷模拟开关CH444切换放大器增益来切换量程，由两个GPIO控制。最后经过一个RC低通滤波器输出到主控的ADC通道。

右边是电流信号处理，基本组成和电压信号处理一样，只是多了一个采样电阻，并且增益更大，最后输出到主控的另一个ADC通道。

运放差分放大器原理简介

运放差分放大器是一种用于放大两个输入信号差值的放大器。
diff_amp

上面是一个基本的应用原理图，其中 $R_{2} = R_{4}$ ， $R_{1} = R_{3}$ ， $v_{1}$ 和 $v_{2}$ 是输入信号， $v_{o u t}$ 是输出信号。该放大器的输出为

$v_{o u t} = (v_{2} - v_{1}) \frac{R _{2}}{R _{1}}$

因此可以通过同时调整 $R_{2}$ 和 $R_{4}$ 来调整增益。此外该放大器的差分输入阻抗为 $R_{i d} = 2 R_{1}$ 。

为什么电压采样不直接用电阻分压？

电阻分压只能降低电压，不能放大电压，因此在输入电压较小时精度较低
使用运放差分放大器输入阻抗比较恒定，基本不随量程变化而变化

软件

该仪表的软件使用 PlatformIO 开发，感谢 earlephilhower 的 arduino-pico core
软件的UI使用LVGL；屏幕驱动使用TFT_eSPI库；日志使用ulog库。
软件主要分为以下模块：

main.cpp - 主程序，包括初始化和主循环
Display - 显示，负责构建显示内容
VoltMeter - 电压，用于配置放大器的增益、读取/平滑ADC数值和计算电压值
KeyPad - 按键，用于读取按键输入作为LVGL的输入设备
Console - 控制台，用于输出日志信息和提供命令行接口

RP2040有两个CPU核心，在这个装置中一个核心专门用于处理显示，另一个用于处理电压/电流采集和计算等。

Display

这个模块负责构建显示内容，包括初始化和更新数值。

namespace Display
{
    // 读取按键事件的回调函数定义，返回按键值和是否按下
    using ReadKeyEventCallback = std::function<std::pair<uint32_t, bool>()>;

    // 初始化显示
    void init();

    // 处理显示事件，需要在循环中反复调用
    void run();

    // 设置读取按键事件的回调函数
    void setReadKeyEventCb(ReadKeyEventCallback);

    // 更新电压显示
    void updateVoltage(const float);

    // 更新电流显示
    void updateCurrent(const float);

} // namespace display

VoltMeter
这个类包含一个缓冲区，每次ADC转换后将数据存储在缓冲区中。当需要读取电压时，将缓冲区中的数据取出计算平均值再转换为电压值。只要缓冲区填满后才能成功读取电压值。
该类的原型如下：

class VoltMeter
{
    ...
    
public:
    // 构造函数，传入ADC通道和量程切换控制引脚
    VoltMeter(uint32_t adc_pin, uint32_t scale_pin0, uint32_t scale_pin1);

    // 设置放大器增益
    inline void setGains(const float scale0_gain, const float scale1_gain, const float scale2_gain, const float scale3_gain);

    inline void setGains(const float gains[4]);

    // 选择量程
    inline void selectScale(const uint8_t scale);

    // 获取当前量程
    inline uint8_t getActiveScale();

    // 读取ADC数值并塞进缓冲区，需要在循环中反复调用
    void convertOnce();

    // 从缓冲区数据获取输入ADC电压数值
    float getRawVoltage();

    // 读取被测电压
    float readVoltage();

};

KeyPad

这个类通过中断读取按键输入，并提供获取最新按键状态的接口。虽然最后只用到了一个键，但是我懒得改了。

class KeyPad
{
private:
...
    // 按键中断的回调函数
    static void onKeyStateChange(void *params);

public:
    // 构造函数，传入按键引脚和是否为低电平触发
    KeyPad(std::span<const int> keys, bool activeLow = true);

    // 构造函数，不传入按键引脚
    KeyPad(bool activeLow = true);

    // 添加按键到按键列表
    void addKey(int key);

    // 获取最后一个按键事件
    std::pair<int, bool> getLastKeyEvent();
};

Console
这个模块提供了一个简单的命令行接口，可以通过串口查看日志和输入命令来调试仪表。

namespace Console
{
    // 命令回调函数定义，传入参数列表
    using CmdCb = std::function<void(std::span<String>)>;

    // 命令结构体定义，包括命令名、帮助信息、参数个数、回调函数
    struct Command
    {
        const char *name;
        const char *help;
        uint8_t minArgCount;
        uint8_t maxArgCount;
        CmdCb cb;
    };

    // 初始化串口和日志系统
    void init();

    // 注册命令
    void registerCommand(const Command &cmd);

    // 处理控制台事件，需要在循环中反复调用
    void handleConsoleEvent();
} // namespace Console

当前的软件只添加了俩命令：help和cal，分别用于查看帮助信息和校准。

8=> help
help - Display the help message
  Usage: help [command]
  
cal - Calibrate the current and voltage scales
  Usage: cal <start|save|exit|scale|in|gains> [options]
        cal start <u|i> - Start the calibration process for the voltage or current scale, should be run before other calibration commands.
        cal save - Save the calibration data for the voltage or current scale and exit
        cal exit - Exit the calibration process and discard the changes
        cal scale [level] - Show or set the scale level(0-3)
        cal in <value> - Input the actual value(in V or A)
        cal gains - Show the current gains setting

主程序

主程序定义了两个核心执行的函数。核心0首先初始化各个模块（除了显示），从EEPROM中读取校准数据并应用，然后进入主循环。主循环中不断读取电压/电流数值并显示、根据输入值切换量程，并处理控制台事件；核心1则负责初始化显示和处理显示事件。按键事件通过中断处理，因此不需要循环检测。
代码在GitHub开源。