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自制一个迷你电流表

Mini-Monitor

视频演示：【自制一个迷你电流表】

功能特性

• 电流量程：-655.36mA ~ +655.36mA
• 电流分辨率：0.02mA
• 电压量程：0~36V
• 电压分辨率：1.25mV
• ADC精度：16-bit
• 增益误差：0.1% (Max)
• 输入失调电压：10μV (Max)
• 供电：5V USB-C
• 尺寸：48.022.411.0mm (LWH)
• 工作温度：-40°C ~ 85°C
• 主要功能：测电流、电压、计算平均电流
• 其他优点：体积小巧、操作简单、精度较高

注：至于为何不设计成更大的量程，因为对于INA226而言，更大的量程意味着降低分辨率。该项目设计的初衷是测量Cat.1模组低功耗，655.36mA对应0.02的分辨率，精度基本满足。调整采样电阻和芯片寄存器值，可改变电流量程和分辨率，下文会有介绍。

MCU选型

MCU选用STM32F401CCU6，虽然性能有些过剩，但这个型号是权衡多个因素的结果：

• 需要支持USB device，设计之初打算再做一个上位机软件，可通过USB在电脑上实时显示曲线图。但后来因为时间原因，这个功能搁置了，直接OLED显示效果也不错。
• 需要QFN封装，因为 "Mini" 是该产品的特点之一，所以PCB要尽可能设计的小巧，所以QFN是比较合适的封装，QFP封装略显过大。
• 需要开发方便，ST的芯片工具和资料相对完善。
• 需要价格适中，考虑过小批量，所以价格因素必须考虑，而当时正处于进口芯片疯狂涨到天价时期，综合比较下来发现芯片价格与性能不完全成正比，与市场需求也有关系。最后选择了STM32F401CCU6，当时拿样价格是 ¥16.8，现在价格肯定有变化。

ADC选型

电流测量芯片选用INA226，16-bit，量程和分辨率均可编程。

INA226的采样电阻取值

INA226的 Shunt voltage 输入范围是 –81.9175mV~81.92mV；根据所测最大电流可以计算出最大的shunt resistor值，shunt resistor电阻越大，测小电流时误差越小，但是shunt resistor越大，在shunt resistor上的功率损耗也越大，所以需要根据情况折中选择。

这里我们选择阻值R100，即0.1欧。

INA226的Calibration Register寄存器取值计算

写入 Calibration Register 的值需要根据实际电路中 采样电阻的阻值 和 电流分辨率 来设置，CAL 就是需要写入 Calibration Register 寄存器的值。 Currnet_LSB 是电流分辨率，这里我们取 0.02mA。 R_SHUNT 是采样电阻，前面我们取0.1欧。

所以 CAL = 0.00512 / (Current_LSB*R_SHUNT)*1000 = 0.00512 / (0.02*0.1)*1000 = 2560

INA226的电流量程计算

因为INA226的 Shunt voltage input range 最大为 81.92mV，而前面我们采样电阻取值0.1欧，所以在该前提下，最大检测电流为：

81.92 / 0.1 = 819.2mA

最后再计算 Maximum Expected Current :

Maximum Expected Current = Currnet_LSB * 2^15 = 0.02 * 2*15 = 655.36mA

655.36mA < 819.2mA，满足条件，故前面计算的 Calibration Register 寄存器的值，没有问题。

注：关于ADC中LSB和MSB的概念理解，可参考如下文章：
ADC的最低有效位（LSB）和最高有效位（MSB）的理解

后记

本项目程序代码目前还比较粗糙，欢迎各位大佬前来优化，如有bug请不吝指正，谢谢^_^。