基于立创地文星开发板的USB-Hub电压电流表DIY全解析：硬件选型、软件配置与外壳设计

基于立创地文星开发板的USB-Hub电压电流表DIY全解析：硬件选型、软件配置与外壳设计

最近在捣鼓一些USB设备，发现手头缺一个能实时监测供电情况的工具。市面上的成品要么功能单一，要么价格不菲。于是，我琢磨着用立创的地文星开发板自己做一个。这个项目不仅是一个USB-Hub，扩展了USB接口，还能实时显示电压、电流、功率，甚至画出电流波形，非常实用。今天，我就把这个项目的完整制作过程，从硬件选型、电路设计、软件编程到外壳设计，一步步分享给大家。无论你是刚入门的嵌入式爱好者，还是想学习如何整合多个模块完成一个完整项目的开发者，相信这篇教程都能给你带来不少启发。

1. 项目概览与硬件选型

咱们先来看看这个USB-Hub电压电流表都能干什么。简单说，它就是一个“智能”的USB分线器。当你把手机、U盘等设备插上去时，它不仅能提供额外的USB接口，还能在屏幕上实时告诉你：

• 电压：当前USB口的供电电压是多少伏。
• 电流：设备消耗了多少安培的电流。
• 功率：根据电压和电流自动计算出的功率（瓦特）。
• 波形：以图形方式显示电流随时间的变化，方便观察设备启动、休眠时的电流波动。

要实现这些功能，我们需要几样核心的“食材”：

1. 主控MCU：立创地文星开发板。它是整个项目的大脑，负责读取传感器数据、驱动屏幕、控制USB-Hub芯片。这块板子基于沁恒微电子的MCU，资源丰富，性价比高，非常适合DIY。
2. USB-Hub芯片：CH334P。这是一颗USB 2.0的集线器芯片，可以将一路USB输入扩展为多路输出。我们的项目用它来提供额外的USB接口。
3. 电流测量模块：TP181A1-CR电流感应放大器+20mΩ分流电阻。这是测量电流的关键。电流流过小电阻会产生微小电压，TP181A1-CR将这个微小电压放大，供MCU的ADC（模数转换器）读取。
4. 显示屏：1.14寸SPI屏幕。用来显示所有测量数据和波形图。SPI接口占用MCU引脚少，驱动简单。
5. 外壳：使用SolidWorks设计并3D打印，让作品更美观、坚固。

整个系统的测量范围是电压最大6.6V，电流最大3.3A，足够应对大多数USB设备的监测需求。

2. 电路设计详解

电路是整个项目的骨架。虽然原文提供了图片，但咱们得把关键部分拆开揉碎了讲明白。这里我结合图片和原理，给大家梳理一下各个模块是怎么连接和工作的。

2.1 电源与USB输入接口

电源是项目的起点。从原理图看，设计有两个USB母座：

• USB5 (Type-C)：用于数据传输和5V供电输入。当你用一根C to C线连接电脑或充电器时，电力和数据都从这里进来。
• USB6 (Type-C)：这是一个外接电源输入口。这个设计非常贴心！当你需要给大功率设备（比如移动硬盘）供电时，电脑USB口的5V/0.5A可能不够。这时，你可以通过这个口接入一个独立的、电流更大的5V电源（比如手机充电器），确保设备稳定工作。

提示：在实际焊接时，USB接口的电源引脚（VBUS）和地线（GND）一定要用粗一点的导线，或者敷铜处理，以减少线路压降，让测量更准确。

2.2 电流测量电路

这是项目的核心测量部分，咱们重点讲。

工作原理：测量电流最常用的方法就是“分流器”法。我们在主供电回路（VBUS）中串联一个阻值很小的精密电阻（20mΩ）。当电流流过时，根据欧姆定律（U=I*R），电阻两端会产生一个微小的电压差。比如流过3.3A电流时，电压差只有 3.3A * 0.02Ω = 0.066V，也就是66毫伏。这个信号太小，MCU的ADC很难直接精确测量。

所以我们需要TP181A1-CR这颗电流感应放大器。它的作用就是把这个小电压信号放大到一个MCU方便读取的范围（比如0-3.3V）。这颗芯片的增益是固定的（具体值需查数据手册），当参考电压（Vref）接3.3V时，它配合20mΩ的分流电阻，正好可以实现最大3.3A电流的测量。放大后的电压输出直接连接到地文星开发板的某个ADC输入引脚。

接线要点：

• 分流电阻：一定要选用高精度、低温漂的采样电阻（如毫欧级、1%精度），并且功率要足够（3.3A^2 * 0.02Ω ≈ 0.22W，建议选用0.5W或以上规格）。
• 放大器布线：TP181A1-CR的输入引脚（连接到分流电阻两端）的走线要尽可能对称、等长，并且远离电源等噪声源，以避免引入共模干扰，影响测量精度。

2.3 USB-Hub扩展电路

CH334P是一颗非常常用的USB 2.0 Hub芯片。它有一个上行端口（连接电脑或主设备）和多个下行端口（连接你的U盘、鼠标等）。在电路中：

• 它的上行数据线（D+, D-）连接到地文星开发板的USB接口，或者直接连接到输入USB口的数据线。
• 它的下行端口则引出到我们做好的多个USB-A母座上。
• 电路图中还为一个下行端口设计了一个LED指示灯，用于指示该端口的工作状态，这个细节很实用。

注意：CH334P需要外部提供稳定的3.3V或5V电源（具体看芯片手册），并需要连接一个12MHz的晶振。这些外围电路一定要按照数据手册推荐的值来设计，否则Hub可能无法正常工作。

2.4 SPI显示屏接口

1.14寸的SPI屏幕驱动起来相对简单。SPI通常需要4根线：

• SCK：时钟线。
• MOSI：主设备输出，从设备输入，用于发送显示数据。
• DC：数据/命令选择线。
• CS：片选线。
• 另外还需要复位线（RST）和背光控制线（BLK）。

在原理图中，这些线被连接到了地文星开发板的普通GPIO上。在软件中，我们需要模拟SPI的时序，或者使用MCU的硬件SPI外设来驱动它，后续编程部分会讲到。

3. 软件编程：ADC与DMA配置

硬件搭好了，接下来就是让地文星开发板“活”起来。核心任务就是准确、快速地读取电流放大器输出的电压值。这里用到了两个重要的外设：ADC（模数转换器）和DMA（直接存储器访问）。

为什么要用DMA？ADC转换完成会产生数据。如果让CPU不停地去查询ADC有没有数据，或者用中断让CPU来搬运数据，都会占用大量的CPU时间。而DMA就像一个“数据搬运工”，可以在ADC转换完成后，自动把数据从ADC的结果寄存器搬运到我们定义的内存数组中，全程不需要CPU参与。这样CPU就能腾出手来处理屏幕刷新、计算功率等更重要的任务。

下面我们直接看代码，我逐段加上详细注释。

3.1 DMA配置

首先，我们配置DMA通道。这个项目里，ADC有多个通道（比如测量电流的通道、测量电压的通道），我们需要为每个通道配置一个独立的DMA通道来搬运数据。

void adc_dma_config(void) { DMA_InitTypeDef DMA_InitStruct = {0}; // 定义一个DMA初始化结构体并清零 __RCC_DMA_CLK_ENABLE(); // 首先，使能DMA的时钟 // 配置第一个DMA通道 (例如对应ADC通道4) DMA_InitStruct.DMA_DstAddress = (uint32_t)ADC4_ResultBuff; // 目标地址：数据要搬运到哪里？这里是一个我们定义好的数组ADC4_ResultBuff DMA_InitStruct.DMA_DstInc = DMA_DstAddress_Increase; // 目标地址递增：每搬运一个数据，存储地址自动增加，这样就能连续存储多个采样值 DMA_InitStruct.DMA_Mode = DMA_MODE_BLOCK; // BLOCK传输模式：DMA会一次性搬运完设定的数据量 DMA_InitStruct.DMA_SrcAddress = (uint32_t)&CW_ADC->RESULT0; // 源地址：数据从哪里搬？从ADC的结果寄存器0地址 DMA_InitStruct.DMA_SrcInc = DMA_SrcAddress_Fix; // 源地址固定：因为ADC结果总是放在这个固定寄存器，所以地址不递增 DMA_InitStruct.DMA_TransferCnt = 0x6; // DMA传输次数：这里设置为6，意味着一次触发会连续搬运6个数据 DMA_InitStruct.DMA_TransferWidth = DMA_TRANSFER_WIDTH_16BIT; // 数据位宽：ADC结果是12位，用16位变量存储 DMA_InitStruct.HardTrigSource = DMA_HardTrig_ADC_TRANSCOMPLETE; // 硬触发源：由ADC转换完成事件来触发DMA搬运 DMA_InitStruct.TrigMode = DMA_HardTrig; // 触发模式：硬件触发 // 将以上配置初始化到DMA通道1 DMA_Init(CW_DMACHANNEL1, &DMA_InitStruct); DMA_Cmd(CW_DMACHANNEL1, ENABLE); // 使能DMA通道1 // 以同样的方式，配置DMA通道2、3、4，分别对应ADC的其他结果寄存器(RESULT1, RESULT2, RESULT3) // 它们的目标地址指向不同的数组：ADC3_ResultBuff, ADC2_ResultBuff, ADC1_ResultBuff // 这样，四个ADC通道的数据就能被DMA自动搬运到四个独立的数组里了。 DMA_InitStruct.DMA_DstAddress = (uint32_t)ADC3_ResultBuff; DMA_InitStruct.DMA_SrcAddress = (uint32_t)&CW_ADC->RESULT1; DMA_Init(CW_DMACHANNEL2, &DMA_InitStruct); DMA_Cmd(CW_DMACHANNEL2, ENABLE); DMA_InitStruct.DMA_DstAddress = (uint32_t)ADC2_ResultBuff; DMA_InitStruct.DMA_SrcAddress = (uint32_t)&CW_ADC->RESULT2; DMA_Init(CW_DMACHANNEL3, &DMA_InitStruct); DMA_Cmd(CW_DMACHANNEL3, ENABLE); DMA_InitStruct.DMA_DstAddress = (uint32_t)ADC1_ResultBuff; DMA_InitStruct.DMA_SrcAddress = (uint32_t)&CW_ADC->RESULT3; DMA_Init(CW_DMACHANNEL4, &DMA_InitStruct); DMA_Cmd(CW_DMACHANNEL4, ENABLE); }

3.2 ADC配置

配置好DMA这个“搬运工”后，我们来配置ADC这个“测量员”。

void adc_config(void) { ADC_DeInit(); // 复位ADC外设，恢复到默认状态 ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure = {0}; ADC_SerialChTypeDef ADC_SerialChStructure = {0}; __RCC_ADC_CLK_ENABLE(); // 使能ADC时钟 // 配置ADC基本参数 ADC_InitStructure.ADC_AccEn = ADC_AccDisable; // 不开启累加功能。累加可以对多次采样求平均，提高精度，这里先不用。 ADC_InitStructure.ADC_Align = ADC_AlignRight; // 采样结果右对齐。ADC是12位的，结果存在一个16位变量的低12位，方便读取。 ADC_InitStructure.ADC_ClkDiv = ADC_Clk_Div4; // ADC时钟分频。主时钟（PCLK）先4分频再给ADC用，确保ADC工作在合适的频率（如16MHz）。 ADC_InitStructure.ADC_DMAEn = ADC_DmaEnable; // **关键！** 使能ADC的DMA请求。ADC一转换完，就自动触发DMA搬运。 ADC_InitStructure.ADC_InBufEn = ADC_BufDisable; // 不使能内部缓冲器。高速采样时通常关闭。 ADC_InitStructure.ADC_OpMode = ADC_SingleChOneMode; // 操作模式：单次单通道？注意看后面，实际被序列通道模式覆盖了。 ADC_InitStructure.ADC_SampleTime = ADC_SampTime10Clk; // 采样时间。时间越长，采样越准确，但速度越慢。10个时钟周期是个常用值。 ADC_InitStructure.ADC_TsEn = ADC_TsDisable; // 禁止内部温度传感器，我们只用外部通道。 ADC_InitStructure.ADC_VrefSel = ADC_Vref_VDDA; // 参考电压选择VDDA（即MCU的模拟供电电压，通常3.3V）。这是ADC测量的基准，必须稳定。 // 配置ADC的序列通道扫描模式（这才是实际使用的模式） // 这个模式允许ADC自动按顺序扫描多个通道（比如通道0,1,2,3），非常适合多路信号采集。 ADC_SerialChStructure.ADC_Sqr0Chmux = ADC_SqrCh0; // 序列0扫描通道0 ADC_SerialChStructure.ADC_Sqr1Chmux = ADC_SqrCh1; // 序列1扫描通道1 ADC_SerialChStructure.ADC_Sqr2Chmux = ADC_SqrCh2; // 序列2扫描通道2 ADC_SerialChStructure.ADC_Sqr3Chmux = ADC_SqrCh3; // 序列3扫描通道3 ADC_SerialChStructure.ADC_SqrEns = ADC_SqrEns03; // 使能序列0到序列3，即总共扫描4个通道。 ADC_SerialChStructure.ADC_InitStruct = ADC_InitStructure; // 将基础配置关联进来 /* 配置为序列通道连续采样模式 */ ADC_SerialChContinuousModeCfg(&ADC_SerialChStructure); // 调用库函数，应用序列扫描连续采样配置 // 调用我们刚才写好的DMA配置函数 adc_dma_config(); ADC_Enable(); // 使能ADC模块 ADC_SoftwareStartConvCmd(ENABLE); // 软件启动ADC转换。启动后，ADC就会按照序列模式，连续、自动地扫描4个通道，并通过DMA将数据送到内存。 }

配置完成后，ADC就会不知疲倦地工作。我们只需要在主循环里，定期去读取ADC1_ResultBuff到ADC4_ResultBuff这些数组里的值，它们就是各个通道最新的电压ADC值。再根据公式（实际电压 = ADC值 / 4096 * 3.3V）换算成实际电压，进而计算出电流和功率。

经验分享：调试时，可以先不用DMA，用ADC单次转换+查询的方式，读取一个已知电压（比如3.3V或GND），看看ADC值是否正确。确保ADC基础功能正常后，再上DMA，这样排查问题会更容易。

4. 结构设计与成品展示

一个好的电子项目，一个漂亮结实的外壳能给它加分不少。原作者使用了SolidWorks这款专业的三维设计软件来建模。

设计思路：

1. 测量与定位：首先用卡尺精确测量所有核心部件（开发板、屏幕、USB母座、Hub芯片板）的尺寸和安装孔位置。
2. 外壳设计：设计一个上下盖结构。下盖主要固定主板和屏幕，上盖则留有窗口让屏幕露出来，并开好USB接口的孔位。
3. 考虑散热：由于要测量最大3.3A的电流，分流电阻和USB接口会有一定发热。可以在外壳侧面或背面设计一些通风栅格。
4. 导出与打印：将设计好的模型导出为STL格式，就可以用3D打印机进行打印了。材料建议选用PLA或者ABS。

从原作者分享的实物图来看，成品非常精致。屏幕被很好地固定在外壳窗口内，四个USB-A口和一个Type-C输入口排列整齐，所有板卡都稳固地安装在内，是一个完成度非常高的DIY作品。

5. 下一步与资源

至此，一个功能完整的USB-Hub电压电流表从硬件到软件的完整路径就清晰了。你可以根据这个框架，在立创EDA上绘制自己的PCB，打样焊接，然后烧录程序。

原作者还提供了一个B站视频链接，动态展示了这个设备的工作情况，包括屏幕显示效果和波形刷新，非常直观，强烈建议观看以获取更感性的认识。

这个项目的魅力在于，它融合了模拟电路（电流采样）、数字电路（MCU、USB Hub）、嵌入式编程（ADC/DMA）和机械设计（外壳）多个领域的知识。当你亲手把它做出来，并看到屏幕上实时跳动的电流数据时，那种成就感是无与伦比的。希望这篇详细的解析能帮你成功复现或启发你做出属于自己的作品。如果在制作过程中遇到问题，不妨多查查芯片数据手册，用万用表量一量关键点电压，调试的乐趣也正在于此。