#第七届立创电赛# 基于N32G430与CH340E的USB电压电流表+TTL二合一模块设计与烧录指南

基于N32G430与CH340E的USB电压电流表TTL二合一模块设计与烧录指南大家好最近在捣鼓一个挺实用的小工具把USB电压电流表和USB转TTL串口模块合二为一了。这样桌面上就能少一个设备调试单片机的时候还能顺便看看USB口的供电情况一举两得。这个项目基于国民技术的N32G430主控用到了CH340E做USB转串口还集成了烧录电路烧写固件连额外的下载器都省了。今天我就来手把手带大家过一遍这个项目的硬件设计要点和固件烧录的全过程特别是几个容易踩坑的地方我会重点说明。1. 项目核心功能与硬件选型思路这个项目的想法很简单我桌上总放着一个USB电流表和一个USB转TTL模块它们个头差不多接口也都是USB Type-A为啥不把它俩做到一块板子上呢于是就有了这个二合一模块。它主要干两件事USB电压电流测量可以实时监测USB端口的输出电压和电流对于排查供电问题、测量设备功耗非常有用。USB转TTL串口这是嵌入式开发中最常用的调试和通信接口可以用来给单片机烧录程序或者进行串口通信。为了实现这些功能我是这么选型的主控MCU用的是国民技术的N32G430C8L7。这是一颗基于ARM Cortex-M4内核的微控制器性能足够处理采样和显示任务而且性价比很高。电流采样芯片用的是INA199A1DCKR。这是一个高侧电流检测放大器官方推荐方案里就有它精度和易用性都不错直接“抄作业”省心。USB转串口芯片为了把板子做小我选了CH340E。它采用MSOP-10封装体积非常小巧非常适合我们这种空间紧凑的设计。电源芯片板子需要从USB取5V电然后转成3.3V给MCU和其他芯片供电。因为想用现成的公模外壳PCB面积有限传统的AMS1117-3.3封装太大了。所以我换成了XC6220B331MR-G这颗LDO它的封装小很多布局起来方便。显示部分我直接外接了一个现成的0.91寸、4Pin I2C接口的白色OLED屏简单省事。2. 硬件设计详解与关键注意事项电压、电流采样以及主控的最小系统电路我基本上是参考了国民技术的官方设计方案这样最稳妥。这里我想重点聊聊集成CH340E实现USB转串口和程序烧录这部分的设计有几个细节不注意很容易导致功能不正常。2.1 CH340E电路设计CH340E的电路本身是比较标准的接法。但关键在于我们不仅要让它实现普通的USB转TTL串口功能还要利用它来给板载的N32G430单片机烧录程序。这就需要在设计时将CH340E的TXD发送和RXD接收引脚连接到N32G430的USART串口引脚上。同时为了控制单片机进入烧录模式我们还需要用到CH340E的DTR#和RTS#这两个硬件流控制引脚。2.2 一个至关重要的设计隔离电阻这是本项目硬件设计中最关键的一点原文中特别用“重点”标出了。在CH340E的TXD/RXD与N32G430的USART引脚之间我串联了两个电阻原理图中是R5和R6。这两个电阻的作用是什么它们主要是在固件烧录时期起到隔离和保护作用。在通过串口给N32G430下载程序ISP下载时单片机的USART引脚会被内部bootloader接管。此时如果主控MCU这边比如你之前烧录的程序意外地也在操作这两个引脚就可能和CH340E的信号产生冲突导致烧录失败甚至损坏芯片。串联一个几百欧姆的电阻比如470Ω可以限制电流起到缓冲和隔离的效果大大提高烧录的可靠性。那么坑在哪里在固件烧录完成模块开始正常作为USB电压表或USB转TTL工具使用时必须将这两个电阻R5和R6移除不焊接原因很简单在正常工作时N32G430的USART引脚和CH340E的TXD/RXD需要直接、稳定地通信。中间串联的电阻会增加信号线的阻抗可能导致通信不稳定、数据错误或根本无法通信。所以这是一个“一次性”的烧录辅助设计。注意在实际制作时你可以在PCB上预留这两个电阻的焊盘。第一次烧录程序前把它们焊上。成功烧录后再用烙铁或热风枪把它们拆掉。或者你也可以选择使用零欧姆电阻或焊桥烧录时接通完成后断开这样更方便。3. 固件烧录实战步骤硬件准备好了接下来就是给N32G430烧录程序。因为我们板子上自带CH340E所以烧录非常方便只需要一根USB线。3.1 准备工作获取烧录工具需要国民技术官方的下载工具“Nations MCU Download Tool V1.2.2”。原作者已经将其附在项目文件里了你也可以去国民技术官网下载最新版。获取固件文件项目的软件部分直接使用了官方的一个USB电压表固件。你可以在立创开源硬件平台找到它项目地址已附在原文中。下载得到的通常是一个.bin或.hex文件。硬件准备确保你的模块PCB已经焊接好并且R5、R6电阻已经焊上如果是首次烧录。用一根USB线连接模块和电脑。3.2 进入下载模式N32G430和大多数STM32一样需要通过BOOT引脚配置来进入串口烧录模式。我们板子上已经预留了相关的操作点。操作方法二选一方法A推荐找一个小镊子或者导线短接PCB上标记为“BOOT”的两个焊盘。保持短接状态然后将USB线插入电脑给模块上电。上电后可以松开BOOT的短接。方法B先将USB线插入电脑给模块上电。然后短接BOOT焊盘并保持住。接着用镊子再短暂地触碰一下RST复位焊盘相当于按一下复位键。之后可以松开BOOT短接。成功进入下载模式后模块上的主控芯片不会运行你之前的程序而是等待通过串口接收新的固件。3.3 使用软件下载固件打开软件运行Nations MCU Download Tool。选择接口在软件界面接口类型选择“USART”串口。选择端口点击“设备”旁边的下拉框选择你的模块对应的COM口。如果不确定是哪个可以打开Windows的“设备管理器”。展开“端口COM和LPT”。当你插入模块后会多出一个“USB-SERIAL CH340”之类的设备后面括号里就是COM号比如COM3。连接设备点击“连接设备”按钮。如果连接成功软件下方日志区域会显示“连接成功”等信息并且“连接设备”按钮会变成“断开连接”。加载固件点击“浏览”按钮找到你之前下载好的那个固件文件.bin或.hex。开始下载点击“下载”按钮。软件会开始擦除芯片、编程、校验。完成当进度条走完并显示“下载成功”或“校验成功”后烧录就完成了。此时你可以点击“断开连接”然后关闭软件。3.4 烧录后的收尾工作烧录成功后先别急着用。还记得前面说的关键步骤吗务必断开模块电源然后用烙铁将R5和R6这两个电阻移除。之后再重新上电你的二合一模块就应该能正常工作了OLED屏显示电压电流同时CH340E也能作为一个独立的USB转TTL串口来使用。4. 总结与心得这个项目把两个常用工具合二为一并且通过巧妙的电路设计增加可拆卸隔离电阻实现了自烧录功能减少了对外部工具的依赖是一个非常实用的DIY作品。整个过程中最需要牢记的就是R5、R6电阻的“烧录时焊接使用前移除”这个步骤。我第一次测试时就忘了拆结果怎么都通信不上排查了半天才想起来是这个问题。另外在布局紧凑的PCB上使用小封装的LDO如XC6220和USB转串口芯片如CH340E是保证项目能塞进漂亮外壳的关键。希望这篇详细的指南能帮助你顺利完成自己的USB电压电流表TTL二合一模块。如果遇到问题不妨回头检查一下BOOT短接操作和那两个关键的隔离电阻很多时候问题就出在这些细节上。