一、项目信息

1.1 项目简介

XM Power Kit 是本人过往作品“xuemeng V6” 的续作，进行了极大的强化。它基于STM32F407VET6，在极小的体积下，实现了数控电源、示波器、波形发生器、万用表功能的四合一，简单参数如下：

• 数控电源：基于LM5176，可实现5-32V输入，1V-36V 10A输出，最大300W。
• 示波器：基于STM32的ADC，可实现8bit、2.4Msps、500K带宽、4K存储深度，带触发。
• 信号源：基于STM32的DAC，1Msps，最大50Khz，可实现±5V任意偏置输出。
• 万用表：可实现±36V电压(0.5%)、±3A电流测量(0.5%)、0~30K电阻测量(3%)、二极管档（10%）

下面是设备参数：

• 输入方式：支持 PD 诱骗 + DC 输入，可实现双电源输入。
• 输出方式：香蕉头 + TypeC，其中 TypeC 也可用作拓展接口。
• 显示配置：2.8寸 IPS 屏，ST7789，40pin接口。
• 其它参数：具备丰富的调试/拓展接口，也可以连接上位机进行细节配置。

1.2 项目背景

相比于V6来说，做V7的目的就简单多了，那就是爱好。除此之外，V6有许多地方还显得相当稚嫩，V7则是来补过这些缺陷，顺便学习并实操一些新知识（比如LVGL和RTOS）。

更要说的话，就是我觉得我要用的工具很多，但性能要求不高；宿舍的桌子就那么大点，大功率电源、示波器、万用表….堆得满满的很不方便；此外，每次回家也要带上这一堆工具舒适不方便，所以我就想着造一个小体积 + 性能够用 + 多功能 的工具。于是，XM Power Kit (V7) 诞生了~

除此之外，您也可以前往 雪萌の小窝 进行深度学习，我会在里面更新更详细的技术细节~

或者前往984946310 (答案：雪萌) 进行交流解惑~
群被恶意举报炸了，先进这个：1082694166，答案同上~

1.3 前提提要

• 本项目是6层板，且元件较为密集（基本是0603的），复刻有难度。（见第8章节）
• 本文档建议您详细阅读，有很多注意事项已经写明了，可以避免踩坑。
• 仔细阅读，能避免许多不必要的困惑~
• 求求你了认真看文档！不然我这么多字不白写了😢😢😢

1.4 核心参数

类别	型号/参数	说明
主控MCU	STM32F407VET6	Cortex-M4，512K Flash，128+64K RAM，主频 144MHz
电源控制芯片	LM5176	同步 4 功率管 Buck-Boost 控制器
输入/出 检测	INA226 + TP181	输入使用INA226，输出使用电阻分压 + TP181 + ADC
PD诱骗	CH224A	支持诱骗PD3.2 的 28V 5A 140W
显示屏	2.8寸IPS（ST7789）	请使用40pin版本，购买后面我推荐的
交互	SIQ-02FVS3 + 按键	使用旋转编码器 + 按键 的组合
调试接口	CDC/SWD/蓝牙	支持串口下载调试、SWD 调试、蓝牙通信调试
PCB规格	87mm * 60mm	绝大部分采用0603封装，少部分0402，方便焊接

BOM表可以使用附件里的，我进行了适当的标注，希望能帮到你！
注意：BOM分了多个sheet，记得都看哦，以免漏东西~

1.5 开源协议

本工程依据CC-BY-NC-SA 4.0知识共享许可协议，请勿用于商用，转载时请标明出处。

开源代码地址：Github仓库

开发软件：CLion + STM32CubeMX

当然，您也可以直接下载附件中的源码~（不建议，附件可能更新不及时）

二、目标 & 日志

• [x] 完成 自校准 功能 (26/4/16)
• [x] 完成 上位机 功能 (26/4/19)

– [ ] 完成 数控电源_曲线显示 功能

• 26/4/23 ： 更新了一个示例面板
• 26/4/14 ： 完成了示波器APP，完成了示波器的校准编写。
• 26/4/12 ： 更改示波器硬件，缓解运放偏置电流Ib问题。
• 26/3/14 ： 完成了万用表APP，完成万用表的校准编写。

三、设计架构

3.1 整体简介

PCB采用6层板设计，阻容95%都是0603，方便焊接。板子正面基本都用于 数控电源 功能，右上角用于 示波器 & 波形发生器 功能，下方则用于转换整板的供电；板子背面则是数字&模拟，负责运算、信号处理 等等功能。

3.2 电源架构

电源的稳定性非常重要！本项目又涉及“数字”“模拟”“功率”地的供电，因此较为复杂，下一节有详细讲解：

3.3 硬件架构

硬件的设计更加的复杂，由于空间有限+功能众多，这就意味着香蕉头输出需要复用，下面是架构简图，具体的电路分析会在第四部分进行详细讲解~

3.4 外壳架构

外壳文件与装配方式见本文档附件~

在此感谢Q群 @打工人，外壳完全由他一人设计，手感非常棒~❤

四、模块设计

这一大节用于细分每一个功能模块，包括输入/输出、数控电源、示波器、波形发生器、万用表，以及其他，包含软硬件都在内。希望我的设计思路能帮到你(´▽`ʃ♡ƪ )。

4.1 输入 & 电源

4.1.1 输入部分

V7的输入逻辑基本复用了已经较为成熟的V6部分：Type-C PD + DC 输入，C口通过CH224A来实现快充协议诱骗，双输入再使用理想二极管芯片来进行防倒灌保护，顺便也支持双输入以获得更大功率。

4.1.1.1 PD诱骗设计

XM Power Kit与V6的区别不大，只不过是从CH224K换成了CH224A：

可以看到，跟CH224K相比，CH224A终于抛弃了224K那种神经的取电方式，外围电路大大的简便了：

1. 224K用一个1K电阻做限流，20V诱骗下这个电阻能常态250mw的耗散，最重要的是，他不能直接接3.3V（就是PD没电，VDD上也不能有电）
2. 此外，224K似乎容易坏，导致只能诱骗5V，我已经焊坏好几个了。

同时，CH224A也支持PD3.2的28V 5A@140W的诱骗，虽说PD3.2的插头现在还不多，但谁叫他跟224K差不多的价格呢，干嘛不用更好的对吧？

再者，CH224A也支持在电阻配置下，通过IIC来控制诱骗的电压，因此我也可以拿这个功能来做一个简单的PD诱骗支持检测功能（阉了）。

4.1.1.2 双输入保护

对于双输入保护，我使用了两套mx5050t搭配Nmos管构成的理想二极管组成，说简单点，就是相当于两套电源各通过一个Nmos构成“二极管”再会和，只不过理想二极管方案几乎没有能量损耗。

相比于V6来说，这里改用mx5050t，价格会更便宜一些，同时也杜绝了像MX16171买成MX16171D100这种情况。（神经厂商，相近的型号名但引脚定义完全不一样，坑爹呢哈哈）

对于双输入，理论上是支持的，前提是两个电源的压差不能太大，大概0.5V吧，否则mx5050t就判定为反向电压自动关闭mos管了。

4.1.2 电源部分设计

对于我这种，模拟+数字+功率 大杂烩的项目，一个稳定、优质的电源供应方案就显得尤为重要。对于V7的电源，我的要求是：

1. 5~32V输入内，无论负载多大，都不能出现掉压重启的情况。
2. 对于数字供电，纹波在40mv以内，对于模拟供电，需要保证纹波在10mv以内。

下面我来讲一下设计思路：

1. 输入先降压到4V，确保5~32V输入都能够稳定降压
2. 随后升压到7V，为后续LDO/DCDC做准备
3. 根据不同的负载，选择合适的降压方式

先降压再升压，是为了确保在4.7～5V这个节点上，后级也能得到7V的主供电。先降压到4V也是因为能实现100%占空比的便宜dcdc芯片不多，大多数buck芯片在输入低于设定电压的时候，负载能力会下降的很严重；此外，这样既方便隔离数控电源对主电源造成的巨大波动，又方便后级做滤波处理。

整个系统的空载功耗1.5W左右(包括屏幕)，因此不必担心功率不够的问题。为了确保纹波达标，你要做的就是“怂”！像优化dcdc布局、使用ldo隔离负载等都是很有效的方法，但最重要的还是地处理，这跨地供电也是一门学问，你可以参考一下我的处理方式，效果还行。

下面是一些电源的注意事项：

• 降压4V的buck芯片，最好选择最低电压在4.5V及以下的，否则5V输入时很容易掉压。
• ±5VA的二级滤波电路可以缩减为1级，SE8550这个LDO还是挺厉害的。

4.2 数控电源

XM Power Kit，一看这名字就知道本项目主打的就是数控电源功能。V7的电源部分相比V6有较大的改动，但本质操控逻辑上没有太大的变化，但性能可谓是强了不止一点，下面我来讲解：

4.2.1 硬件讲解

4.2.1.1 芯片选型

这一次换用了一颗挺经典的芯片：TI的LM5176 。这芯片的性能可比南芯的sc8701强多了：

1. 这是一颗同步 4 功率管 Buck-Boost 控制器；
2. 4.2 – 55V输入，0.8 – 55V输出。 （本项目为了安全只支持1 – 36的输出）。
3. 以电流模式控制，350Khz频率，以及最大94%的高效率

最重要的是，这颗芯片的驱动能力比8701强得多，这意味着我们能使用更低Rdson的MOS管（这往往意味着更高的输入电容）也不太需要担心驱动不够导致mos半开启而大量发热炸管了；其次，它就不是8701那种qfn封装了，tssop封装要好焊接的多，能大大降低焊接难度。

注意事项：SS、comp引脚的配置跟输入输出电容的容值都有关，做了更改的话记得重新计算参数，TI专门做了各网页用于设计，你可以去看看：TI电源设计工具

4.2.1.2 电压调节功能

于V6相比，LM5176就没有sc8701那种通过PWM来调节电压电流的方式了。因此V7还是用的V6那种调节方案：通过DAC来控制FB引脚的电阻分压网络，进而调节输出电压，而环路稳定什么的就交给5176自己完成。 大致示意图如下：

我们来计算一下，根据基尔霍夫电流定律，我们有：

• $i_1 = i_2 + i_3$
• $i_2 = V_{ref} / R_{d1}$
• $i_3 = (V_{ref} – V_{dac}) / R_{d2}$
• $i_1 \cdot R_{up} = V_{out} – V_{ref}$

经过代换得到：
$$
V_{out} = V_{ref} \cdot \left(1+ \frac{R_{up}}{R_{d1}}\right) + (V_{ref} – V_{dac}) \cdot \frac{R_{up}}{R_{d2}}
$$

带入已知值，式子化为：
$$
V_{out} = 39.491 – 12 \cdot V_{dac}
$$

因此我们就可以知道，当$V_{dac}$ 输出 $0.29\ \mathrm{V}$ 时，$V_{out}$ 理论输出 $36\ \mathrm{V}$ 左右；$V_{dac}$ 输出 $3.22\ \mathrm{V}$ 时，$V_{out}$ 理论输出 $0.8\ \mathrm{V}$。当然根据设计，输出范围被限制在 $1\ \mathrm{V} \sim 36\ \mathrm{V}$。

于是我们就实现了电压调节的设计。对于一个12bit的ADC来说，有效刻度4096格，理论能做到每一个刻度调节：
$$
\frac{36 – 1}{4096 \times \frac{3.22 – 0.29}{3.3}} = 0.0096\ \mathrm{V}
$$
$10\ \mathrm{mV}$的调节步进足够进行较为精细的电压调节了。

当然了，这只是理论上的，它的作用就是告诉我们输出电压与DAC值是线性关系，因此在校准中，我们可以很方便地构建实际的关系函数，只需要采集9个点然后进行线性拟合即可，这一部分会在稍后讲到~

4.2.1.3 输出检测

相比于V6使用INA226来获取电压电流信息，V7进行了很大的改变：使用tp181 + 电阻分压+LMV321的方案，这套方案有如下优点：

• 检测速度更快：226只能做到100次/s的有效数据，新方案1K次/s不是问题。
• 自由度更高：226最大共模电压是36V，新方案只需要调电阻分压，就能支持更高的电压检测。
• 成本很低：226大概三四块钱一颗，新方案1块左右能拿下。

能更快的获取有效数据，意味着软件上PID调节的速率和稳定性能大大提高，性能可以看后面的章节。

可以看到，对于电压检查测，通过 $91\ \mathrm{k}\Omega$ + $8.2\ \mathrm{k}\Omega$ 电阻分压后，经过一个电压跟随器送到ADC，电容电阻什么的都是用来滤除微小干扰的， $C_{73}$ 可以滤掉一些抖动。理论上电压检测范围是 $0 \sim 39.92\ \mathrm{V}$，理论 $\mathrm{LSB} = 0.0097\ \mathrm{V}$。

而对于电流检测，就很简单了，TP181将检流电阻 $R_{52}$ 两端的压降放大50倍，滤波后送入ADC，理论检测范围是 $0 \sim 13.2\ \mathrm{A}$，理论精度 $0.0032\ \mathrm{A}$。

注意事项：
众所周知，DCDC电源会有输出纹波，本项目经过测试大约在 $80\ \mathrm{mV}$ 左右，频率 $1\ \mathrm{kHz}$ （反正实际测的是 $1\ \mathrm{kHz}$） 证实是干扰，已经显著缓解，现在是15mv左右。对于电压检测，经过电阻分压后纹波只有大约 $8\ \mathrm{mV}$，基本不用处理；而对于电流检测，这些波动可以导致 $10\ \mathrm{mA}$ 以上的波动，因此需要进行针对处理。硬件上如图， $R_{54}+C_{71}$ 以及 $R_{57}+C_{74}$ 构成一个截至频率16hz滤波器，可以较好的过滤此波动。

4.2.1.4 输出接口

输出方面，由于跟 万用表 复用的香蕉头接口，以及需要做防倒灌保护，因此跟V6一样，最终输出也选用了一颗MX5050t+ NMOS构成的理想二极管方案，刚好5050t也可以通过高低电平来控制是否开启mos。

此外，由于黑色香蕉头也需要跟 万用表 复用，因此新增了一颗由UCC27517DBVR驱动的Nmos，由此控制黑色香蕉头与功率地的联通。

4.2.2 软件讲解

4.2.2.1 任务架构

软件部分底层使用了Freertos，不过还用了CMSIS OS V2的封装（自动帮我们判断某些函数是否在中断里之类的）。有了rtos的帮助，我得以很方便的实现高效的调度与软件逻辑。
下面是图中四个任务的简单信息：

任务名	优先级	简介
PageSelectTask	osPriorityHigh	负责各个APP程序之间的切换。包括初始化，反初始化等操作
IndevDetectTask	osPriorityNormal4	每10ms扫描一次按键/编码器，若有变化，则将事件源、事件类型添加到消息队列中
DpsCoreTask	osPriorityNormal	负责读取按键事件并分发，同时定期刷新某些界面元素
PIDTask	osPriorityNormal1	子任务，负责每1ms进行一次PID运算与调节，其使能/挂起有DpsCoreTask控制

下面我们简单讲DpsCoreTask，以及DMA回调函数~

4.2.2.2 DpsCoreTask

这个是数控电源（DPS）的主函数，负责包括数据采集、UI显示控制、按键事件处理,电源参数管理,以及PID算法控制这些功能。

我们先来看看任务主循环：

void Start_DpsCoreTask(void *argument) {
    // 初始挂起任务（等待PageSelectTask激活）
    osThreadSuspend(DpsCoreTaskHandle);

    for (;;) {
        // 读取按键事件并分发到当前页面的处理函数
        if (osMessageQueueGet(KeyEventQueueHandle, &Keymsg, NULL, 0) == osOK)
            page_handlers[current_page](Keymsg);

        // 每100ms更新一次界面数值（15×10ms）
        // 每1秒更新一次运行时间（100×10ms）
        // 每s更新一次风扇状态（100×10ms）
        // 任务延时（10ms）
        osDelay(10);
    }
}

主函数的作用很简单，就是每10ms扫描一次按键，若有事件就通过 page_handlerscurrent_page;对事件进行分发，交给当前页面的响应函数进行处理。此外，每隔固定的时间，就对部分的界面元素进行更新。

下面我们来看看按键事件分发：

/**
 * @brief APP页面枚举
 * @note  定义DPS系统的所有功能页面
 */
typedef enum {
    PAGE_MAIN = 0,      // 主界面（默认页面）
    PAGE_VOLT_DIGIT,    // 电压数位编辑页面
    PAGE_CURR_DIGIT,    // 电流数位编辑页面
    PAGE_QUICK_MENU,    // 快速设置菜单页面
    PAGE_NUM            // 页面总数
} AWG_AppPage_t;

/**
 * @brief 页面处理函数表驱动
 * @note  索引对应AppPage_t枚举，快速映射页面与处理函数
 */
static void (*page_handlers[PAGE_NUM])(KeyEventMsg_t) = {
    [PAGE_MAIN] = dps_main_page_handler,
    [PAGE_VOLT_DIGIT] = volt_digit_handler,
    [PAGE_CURR_DIGIT] = curr_digit_handler,
    [PAGE_QUICK_MENU] = quick_menu_handler,
};

可以看到，我们先创建了一个枚举，用于表示当前所处的页面。那么按键分发就可以根据当前所处的页面，让对应的函数来响应这个按键事件。

那么在对应的按键响应函数中，我们就可以根据事件的触发者（是哪一个按键？还是编码器？），事件的类型（单击？长按？等等），来进行对应的响应，比如切换焦点框、更新某些值的显示等等~ 下面举个例子，就拿digit_page_handler这个函数来说吧：

/**
 * @brief  电压/电流数位编辑通用处理函数
 * @param  msg: 按键事件消息
 * @param  ctx: 数位编辑上下文指针（volt_ctx/curr_ctx）
 * @retval 无
 * @note   统一处理电压/电流的数位选择、数值调整、返回主界面等逻辑
 */
static void digit_page_handler(KeyEventMsg_t msg, const DigitEditContext_t *ctx) {
    // 映射当前/上一次编辑数位（区分电压/电流）
    DigitPosition_e *pCurrent = (ctx == &volt_ctx) ? &VoltagePosition_Current : &CurrentPosition_Current;
    DigitPosition_e *pPast = (ctx == &volt_ctx) ? &VoltagePosition_Past : &CurrentPosition_Past;

    // 上移/左按：切换到高位数位
    if (msg.key == KEY_UP || msg.event == ENCODER_EVENT_PRESS_LEFT) {}
    // 下移/右按：切换到低位数位
    else if (msg.key == KEY_DOWN || msg.event == ENCODER_EVENT_PRESS_RIGHT) {}
    // 右旋转编码器：增加对应数位的数值
    else if (msg.event == ENCODER_EVENT_RIGHT) {}
    // 左旋转编码器：减少对应数位的数值
    else if (msg.event == ENCODER_EVENT_LEFT) {}
    // 短按SET/编码器：返回主界面
    else if ((msg.key == KEY_SET || msg.key == KEY_ENCODER) && msg.event == KEY_EVENT_CLICK){}
    // 无匹配按键事件：直接返回
    else return;

    // 按键有效时蜂鸣提示
    StartBeezer(0);
    // 数位选择下划线更新（切换选中数位的指示）
}

可以看到，非常的简单粗暴，判断msg结构体的key和event，就能唯一指定一种事件，只需要补充这个事件会进行何种操作就可以了，其他函数也是同理，这里就不多赘述了。

不过有一点需要注意的是，这种方案终究是把事件跟操作糅合在了一起，这并不方便管理（毕竟你得记得某个操作在哪一个事件类型分支里），但不得不说，目前这种方式是逻辑很清楚的，倒是方便学习理解。

4.2.2.3 中断回调函数

这里说的是ADC+DMA的中断回调函数，更本质的说，是DMA传输完成中断。我们先来看一看ADC以及DMA的部分重要配置：

// ========== ADC部分 ========== //
    hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;                         // 12位分辨率（4096级，满足电压/电流采集精度要求）
    hadc1.Init.ScanConvMode = ENABLE;                                   // 使能扫描模式（支持多通道采集）
    hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIGCONV_T8_TRGO;         // 触发源：定时器8 TRGO事件
    hadc1.Init.DMAContinuousRequests = ENABLE;                          // 使能DMA连续请求（环形模式必需）
    hadc1.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SEQ_CONV;                         // 序列转换完成后触发EOC中断
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_144CYCLES;                    // 采样时间144周期
// ========== DMA部分 ========== //
    hdma_adc1.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;                                 // 环形模式（循环采集，无需重复启动）
    volatile uint16_t dps_adc_raw_buf[128] = {0};                       // ADC原始采样缓冲区（128个值，偶数列-电压，奇数列-电流）
    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t *) dps_adc_raw_buf, 128);  // 启动ADC DMA采集（缓冲区长度128，环形模式）
// ========== TIM8定时器部分 ========== //
    __HAL_TIM_SET_PRESCALER(&htim8, 149);                           // 设定更新频率64Khz
    __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim8, 14);
    sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_UPDATE;                // 重装载时触发更新事件

配置的目标很简单，就是让ADC 每1秒对两个通道采集64K次，其中每采集到128个数据（俩通道各64个）就触发一次DMA中断，进行数据处理，随后重新开启采集，覆写数据缓冲区，如此循环。

下面我们看看DMA回调函数都做了什么：

void CB_DPS_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc) {
    if (hadc->Instance == ADC1) {
        AdcTim_OFF();                                                            // 关闭定时器（ADC触发源）
        uint32_t sum_ch1 = 0, sum_ch2 = 0;

        // 累加64次ADC采样值（偶数列-通道1(电压)，奇数列-通道2(电流)）
        for (uint16_t i = 0; i < 64; i++) {
            sum_ch1 += dps_adc_raw_buf[2 * i];
            sum_ch2 += dps_adc_raw_buf[2 * i + 1];
        }
        // 计算均值并叠加校准偏移
        int32_t temp1 = (int32_t)(sum_ch1 >> 6) + UserParam.DPS_Voltage_Original;
        int32_t temp2 = (int32_t)(sum_ch2 >> 6) + UserParam.DPS_Current_Original;

        // 转换为实际电压值（3.3V参考，12位ADC，乘以校准系数）
        float raw_voltage = (float) (temp1 > 4096 ? 0 : temp1) * 3.3f / 4096.0f * UserParam.DPS_Voltage_Factor;
        // 转换为实际电流值（扣除电压耦合偏移和固定偏移）
        float raw_current = (float) (temp2 > 4096 ? 0 : temp2) * 3.3f / 4096.0f * UserParam.DPS_Current_Factor;

        // ==========================================
        //              软件 IIR 低通滤波
        // ==========================================
        // 滤波系数 (0.0 ~ 1.0)，越小滤波越强，反应越慢
        const float filter_display_alpha = 0.02f;       // 显示用小系数，保证平滑
        const float filter_PID_alpha = 0.2f;           // PID用大系数，保证快速响应

        // 静态变量保存上一次的滤波结果
        static float filtered_voltage = 0.0f;           // 滤波后的电压值_显示
        static float filtered_current = 0.0f;           // 滤波后的电流值_显示
        static float filtered_current_pid = 0.0f;       // 滤波后的电流值_PID
        static float filtered_voltage_pid = 0.0f;       // 滤波后的电压值_PID

        // 一阶 IIR 滤波公式：Output = alpha * Input + (1 - alpha) * Output_Last
        filtered_voltage = filter_display_alpha * raw_voltage + (1.0f - filter_display_alpha) * filtered_voltage;
        filtered_current = filter_display_alpha * raw_current + (1.0f - filter_display_alpha) * filtered_current;
        filtered_current_pid = filter_PID_alpha * raw_current + (1.0f - filter_PID_alpha) * filtered_current_pid;
        filtered_voltage_pid = filter_PID_alpha * raw_voltage + (1.0f - filter_PID_alpha) * filtered_voltage_pid;

        // 更新全局变量
        Voltage = filtered_voltage;
        filtered_current < 0.01f ? (Current = 0.0f) : (Current = filtered_current); // 如果电流小于0.01A，就归零，避免静止时跑量
        Current_PID = filtered_current_pid;
        Voltage_PID = filtered_voltage_pid;
        // 计算实时功率
        Power = Voltage * Current;
    }
    // 电源开启时累计能量（功率×时间，时间单位：小时）
    if (IsPowerOn) energy += Power * MS_TO_HOUR;

    AdcTim_ON();                                          // 开启定时器（ADC触发源）
}

还记得我们前文提到的吗？由于 $80\ \mathrm{mV}$ 纹波带来的电压、电流波动，需要对采集数据做滤波处理。

从上面的代码可以看到，我们先对每个通道采集到的 64 个数据做均值处理，再经过校准偏移转换为实际物理量。这一步对抑制 $80\ \mathrm{mV}$ 纹波的效果一般，因为干扰频率只有 $1\ \mathrm{kHz}$，而系统采样率为 $64\ \mathrm{kHz}$，且每次只取 64 个点，只能采样到 $1\ \mathrm{kHz}$ 波形的一部分周期。因此，这里的平均操作更多是用来消除尖峰毛刺。

真正起到关键滤波作用的是后面的一阶 IIR 低通滤波，它的原理非常简单：设定一个在 $0 \sim 1$ 之间的系数 $a$，每次更新时满足：
$$
新数据 = 本次值 \times a + 上一次值 \times (1 – a)
$$

简单来说：当 $a$ 较大时，当前值对结果影响更大，数据响应更快，但滤波效果较弱；当 $a$ 较小时，历史值权重更高，滤波效果更好，但响应速度会变慢。

这也解释了为什么我在代码中区分了filtered_voltage 与 filtered_voltage_pid的原因：因为刷新显示只有8次/s，要求要尽量的平稳，所以a可以小一些；但PID计算要求快速响应，故使用较大的a来保证实时性

4.2.2.4 数控电源校准

下面讲一讲要怎么校准数控电源功能，其实也不用讲，我已经做好操作指引了，这里就讲讲注意事项：

• 请务必使用20V以上的电源校准（或者大功率的电源），否则可能校准时死机。
• 校准过程不可终止，进行完所有步骤才会保存数据。
• 您需要准备：万用表 + 10Ω左右电阻（1W左右）

下面讲讲校准设计的思路：

首先是原点校准，它的作用就是标定0V点。有的设备短接正负极后，ADC还能读到1 – 3个刻度的值，导致显示0.0xxV，我们需要调整原点校准，将这个值抵消掉。

其次是显示校准，看过原理图的就知道，我的方案是91K + 8.2K 电阻分压，将0 – 36V的电压降低到0~3.3V给到ADC。此时的理论降压倍率系数就是 $\frac{91\,\mathrm{k}\Omega + 8.2\,\mathrm{k}\Omega}{8.2\,\mathrm{k}\Omega} = 12.09$，我们需要拿着这个值才能还原真实电压。实际上电阻是有误差的，我们需要手动校准此倍率系数，让电压显示正确。

最后是输出校准，我们是通过DAC来控制实际电压输出的，前文提到，DAC值跟实际电压值成线性关系，我们要做的就是在DAC范围里均匀取9个点进行线性拟合，得到 $V_{\mathrm{out}} = A \cdot V_{\mathrm{dac}} + B$ 中的未知系数A、B的值。

4.2.3 电源性能

先简单测试一下空载性能，20V输入：

可以看到，降压模式下，纹波表现更优；当输出电压接近输入电压（ $\pm 3\ \mathrm{V}$ ）时，LM5176 会启用混合模式，纹波会略有升高；升压模式下，纹波随输出电压升高的增长速度会更快。但无论哪种工况，空载状态下纹波均未超过 $10\ \mathrm{mV}$ ，属于非常优秀的水平~

不过需要注意的是：风扇开启时，由于风扇与DAC 共用 $7\ \mathrm{V}$ 供电，尽管为DAC 供电的LDO 能很好地滤除 $1\ \mathrm{kHz}$ 的低频干扰，但仍会有少量干扰串入DAC 输出链路，此时整体纹波会抬升 $20 \sim 25\ \mathrm{mV}$ ，最终呈现的效果就是 $1\ \mathrm{kHz}$ 、 $35 \sim 40\ \mathrm{mV}$ 的纹波。

接下来测试一下24.5V输入，恒定20Ω负载的情况:

显而易见的是，降压模式的纹波表现明显要好于混合模式以及升压模式，因此为了您有较好的带载纹波表现，请使用电压较高的电源，让设备工作在降压模式~

4.3 其他模块设计

由于篇幅原因，全部写在这里就太长了，所以我打算将剩下的模块讲解移至我的博客雪萌の小窝，你可以点击下面的连接快速跳转。由于我比较忙，这部分的更新会慢慢补上的。

网站上也有其他更为细致的教程，欢迎你来访问~

• 示波器解析
• 波形发生器解析
• 万用表解析

五、程序下载与调试

这部分请务必仔细阅读！下面我们先来简单介绍以下：
XM PPWER KIT的程序分为两个部分：

• Pre-check.elf ： 前置包，用于创建FATFS、资源拷贝、硬件检查等
• Main_Rel.xxx.elf ： 主程序包

我们先下载附件中的 程序资源包.zip，完整解压后得到如下文件(夹)：

名称	类型	说明
images	文件夹	存放着主程序会用到的所有图片资源
font	文件夹	存放在主程序会用到的所有字体资源
Main_Rel.xxxx.elf	文件	主程序
Pre-check.elf	文件	前置程序
DiskGenius.exe	程序	用于创建FATFS系统

同时你需要准备 两条 USBA->C的线，尽量不要使用cc线，避免连不上板子。

注意！ 由于我们使用DFU进行程序下载，因此我们还需要下载安装 STM32CubeProgrammer ！
你可以使用如下的地址进行下载：

• 1. 官网，需要注册 ：选择访客下载，填你的邮箱，其他随意，下载链接会发你邮箱里
• 2. 曲线救国：先装fubemx，用fubemx下programer，速度快（默认在下载在你的“下载”文件夹）

曲线救国方案由B站 @keysking 提供，在此表示诚挚的感谢！

下载好之后，安装，一直同意+下一步 即可，安装路径建议全英文。

5.1 前置程序下载

我们打开CubeProgrammer，按下图这样配置好连接模式：

接下来我们将注意力放到板子上，务必按下面的指令来操作：

• 1. 先按住左侧的BOOT0按键，不要松开
• 2. 再插入USB线到板子上部的USB口，连接电脑
• 3. 插上两三秒后再松开

接下来回到电脑上，按下面的步骤操作：

• 1. 点击刷新图标，正常的话会出现一个USB1的设备 （没出现就重试上一大步的内容）
• 2. 点击Connect进行连接
• 3. 点击Start Programming 刷入程序
• 4. 注意：刷写可能会报错！实际上已经刷进去了，不用怕！(跑到68%然后报错)
• 5. 断开电源，进行下一步

至此，我们前置程序就下载好了，下面请跟随我来操作，完成调试部分，建议您先整体阅读一遍再上手实操！

5.2 前置程序调试

现在我们已经下载好了前置程序，在下一步上电之前，先看看整体的流程：
注意，此时请接入稳定的电源，并使用板子左侧而不是上侧的USB口！

• 1. 上电后，程序首先会检查FLASH是否正常，若不正常，则会直接红屏。
• 2. 若FLASH正常，屏幕会开始在“白”“黄”“蓝”之间不断切换，此时正在格式化FLASH，需要30s左右，请勿断电。
• 3. 格式化完成后，屏幕会变成绿色，此时连接板子上侧的usb到电脑，使用工具创建FAT文件系统，模拟U盘。
• 4. 直接将font和images文件夹拷贝进U盘根目录。
• 5. 断开所有线材，重新上电（板子左侧USB），此时板子会显示所有必须模块的自检情况，若都OK，则可以刷入主程序。

很简单对吧？现在我们仔细讲一讲第三和第四步，请务必按我的操作来：

屏幕变绿之后，将设备连接电脑，打开DiskGenius.exe，加载完成后应当可以看到一个名叫 XMPowerKit 的设备如图，我们单击它：

接下来，我们右键容量条 -> 建立新分区 -> 文件类型选择FAT16 -> 确定 -> 左上角保存更改即可

等待一段时间后（30s，不要急着关软件），电脑上会多出来一个U盘如图：

接下来，我们将程序资源包里的images和font文件夹直接拖进U盘根目录如图，一定要跟图片一样！不然程序读不到资源！！！！

随后先拔出连接电脑的USB线，再断开左侧电源。此时重新上电，正常的话就会显示必要组件的初始化状态如图：

如果有哪一项 FAIL 了，请你检查一下硬件焊接。

至此，前置程序的刷写与调试就算完成啦！应该还算是简单的。为了方便你们调节硬件，专门做了这个前置程序，希望能简便你们的调试工作~

5.3 主程序刷写

这一部分跟前置程序的刷写一模一样，直接复用 5.1 的步骤就行了，只不过是将刷写的程序换成Main_Vx.x.elf罢了。

不过也可能出现 进度条跑到 90% 然后报错的情况，直接忽略，程序已经下进去了，断开跟电脑的连接，重新上电应该就能进入主界面啦~

至此，程序下载与调试部分就算做好了~

六、外壳安装

这部分详见附件的外壳与组装说明.zip,里面有配图进行安装说明。
在此感谢 @打工人 大佬，此外壳完全由他进行设计与改良~❤

七、各APP的操作映射

下面对各个APP的按键操作映射进行讲解，让你快速上手本项目！

一些APP的操作很简单，我就不写在这里了，你上手就会的~

7.1 数控电源APP

此界面为手搓，很漂亮对吧？我下了不少心思，希望你喜欢~

按键类型	操作类型	界面	说明
编码器	长按	主界面	回到APP选择界面
编码器/下键	右转 / (单击/长按）	主界面	选择下一个APP
编码器/上键	左转 / (单击/长按）	主界面	选择上一个APP
编码器/SET键	单击	主界面	进入选中的调节项目
按键	SET键长按	主界面	开启/关闭电源输出
编码器/上键	按下+左转 / (单击/长按）	参数编辑	将光标移动到上一位
编码器/下键	按下+右转 / (单击/长按）	参数编辑	将光标移动到上一位
编码器	右转	参数编辑	增加选中该位数的值
编码器	左转	参数编辑	减少选中该位数的值
编码器/SET键	单击	参数编辑	回到主界面

7.2 示波器APP

此界面为手搓，也很漂亮对吧？逻辑+界面大概搓了5000多行代码~

按键类型	操作类型	界面	说明
编码器	长按	主界面	回到APP选择界面
MODE键	单击	主界面	在“左右平移”，“上下平移”，“触发调节”直接切换
编码器/上键	右转 / (单击/长按）	主界面	右移/上移/增加 对应选项值
编码器/下键	左转 / (单击/长按）	主界面	左移/下移/减少 对应选项值
MODE键	长按	主界面	进入参数选择&编辑界面
编码器	右转	参数编辑	光标移动到下一个选项
编码器	左转	参数编辑	光标移动到上一个选项
上键/下键	按下/长按	参数编辑	调节当前选项的值
MODE键	长按	参数编辑	返回主界面

7.3 万用表APP

此界面为手搓，依旧很漂亮对吧？希望你喜欢~

按键类型	操作类型	界面	说明
编码器	长按	主界面	回到APP选择界面
编码器	按下+右转	主界面	切换到下一个测量模式
编码器	按下+左转	主界面	切换到上一个测量模式
上键	按下	电阻档	切换到30K挡位
下键	按下	电阻档	切换到2K挡位

以上就是我认为稍微复杂一些的APP的操作说明，希望能帮助你快速上手！

八、打板与焊接

XM POWER KIT的焊接难度跟V6相比完全不是一个量级的，同时也是尝试使用6层板，所以请务必认真仔细！下面是我个人的焊接方法，以及焊接中容易出错的点，希望能帮到你！

8.1 打板事项

• 1. 关于6层免费券：首次领取需要考试、打板后需要焊接并转发朋友圈，才能获得下一次免费资格；
• 2. 如果打板的时候，显示文件已经享受过优惠，你可以加几个过孔，改改丝印；如果还不行，可以等待两三天；
• 3. 打板参数：6层板、1.6板厚、3313层压、±20%，不用复查什么的，其余全部默认即可；

8.2 板子焊接

为了高质量的焊接本项目，你必须有以下的工具，否则无法完成焊接！

工具	作用	备注
加热台	焊接板子正面（大电感面）	咸鱼上买就行，20~30元
热风枪	焊接板子背面（MCU面）	随便整，能到350℃就行
电烙铁	焊接座子、按键	功率要大一些，否则焊接不上座子
焊锡、锡膏、助焊剂	镊子、水口钳、吸锡带等	这些常用的你得有吧
洗板水	刷洗板子，清爽！	不用我多说，怎么便宜怎么来！

本人强烈建议下单钢网！！！

本人的焊接步骤：

• 1. 先焊接正面，钢网上锡膏，先贴电阻电容芯片mos，再贴大电容、电感、继电器，最后再贴导流铜条。
• 2. 使用加热台铁板烧，归为元器件。（注意：此时可以往电感旁的过孔上面挤锡膏，灌满过孔！）
• 3.使用电烙铁+焊油，修正TYPE-C口等容易连锡的元件。
• 4.使用万用表二极管档，测量如下部分是否短路：
  • USB输入到地
  • 3.7V、7V、3.3V、+5V、-5V的输出电容到地
  • 若没有短路可以typeC上电5V，测一测上面提到的电压是否正确
• 5.背面钢网上锡膏，贴除了大按键外的所有元件。（特别注意TMP102的方向！建议对着数据手册来！）
• 6.使用热风枪焊接好背面，随后使用烙铁+焊油修复连锡的地方。
• 7.万用表二极管档，测量3.3V，5V，-5V到地有没有短路！
• 8.焊接风扇座子+香蕉头 + 竖插USB + MCX座子。
• 9.最后用烙铁焊接大按键！
• 10.没有短路就可以试着上电刷程序了~

8.3 焊接注意事项

1.请不要使用热风枪焊接大按键！否则会吹化按键的。
2.尽量不要用热风枪吹香蕉头座子/洗板水洗香蕉头座子，否则会融化/掉色
3.焊接完一面测试一下没问题，就可以用洗板水清洗一面。
4.测试的时候，不要让屏幕背面碰到引脚！ 我已经踩过这个坑，24V窜进3.3V给板子一套全带走🤡
5.载流铜片最好焊上，没有的话也必须堆锡！示意图：

九、软件校准

每一个APP都需要校准，为了方便你们，我已经将校准过程简化了很多！你只需要进入校准APP，按照操作指引进行，你就能获得一个非常好用的设备啦！

举个例子，所有APP的校准，都可以在设备上完成，不需要上位机！

感谢华为的神经相机算法，给我非常漂亮的屏幕拍成这样….😒

同时呢，我也会抽时间拍一个校准视频出来，发在B站上。
下面是我建议的校准顺序：（必须先信号源再示波器！）

• 电源校准 -> 信号源校准 -> 示波器校准 -> 万用表校准
  下面呢是每一个系统的校准所需要准备的工具，都是很容易获得的：

名称	工具	备注
电源校准	万用表 + 10Ω电阻(1W) + 20V电源	电流校准用到电阻；务必用20V电源（或者大功率电源），否则会重启
信号源校准	万用表	用到万用表200mv档
示波器校准	一字螺丝刀（1.5）+尖头镊子（或者细导线）	螺丝刀来调前级电容；镊子来短接示波器与信号源
万用表-电压	万用表	用万用表2V档最好，精度高
万用表-电流	万用表+电源+阻性负载	不要用负载仪，干扰太大了
万用表-电阻	200Ω+2KΩ（0.1%）	这俩电阻bom表里都有的

十、关于BOM表

东西比较多也比较杂乱，请使用附件中的Bom表，我对bom进行了整理，根据元件类型分了多个sheet：

• 表1：立创EDA直接导出的BOM，你可以直接导入立创商城下单（你是富哥的话😁）
• 表2~6：根据元件类型分类的细分表，里面有大量备注，请务必仔细查看！！
• （3）：如果你要组装外壳，请前往附件的“外壳与组装说明.zip”，里面有外壳的bom表以及链接。

实话实话，我还是非常建议花些时间在元件购买上的，精打细算下来能省很多钱，不过也要注意不要贪图便宜整到假元件！

下面是一些购买必坑，不定时更新：

• 1. TLV2374IPWR —- 淘宝 —– 深圳市宏隆电子科技商行 （以前可以的，最近买了5个全不能用）
• 2. 关于大/小屏幕定义，我个人是推荐小屏幕的，连接在附件BOM里；此外，大小屏幕只跟外壳有关，都可以买。但是我只建议使用IPS屏幕！普通TN/TFT屏的观感很差！
• 3. 买屏幕的时候，一定要注意引脚定义顺序！！！

十一、二次开发

嘛，二次开发还是有点难的哈哈，我会公开如下信息帮助你开发属于你的新功能：

• 1. 项目源码，见前面github链接或附件
• 2. GUI-Guider工程，主界面以及设置、关于界面使用LVGL构建

同时呢我也用python配合AI制作了三个小工具，在附件的“小工具.zip”中

• 1. 字体取模：你可以导入任意字体并生成.bin文件，将其拷贝到U盘，在font.c/h中声明就能使用新字体~
• 2. 图片取模：同理，将图片转为.bin文件，拷贝到U盘并在image.c/h中声明即可使用~
• 3. 16进制查看器：做着玩的，方便我调试.bin文件

此外，对于设备输出端的TypeC口，不止可以用来供电(跟数控电源相连)，我也留了ADC+TIM+SPI接口，你可以自行摸索，拓展独属于你的功能~

开发工具用的是CLion +STM32CubeMX

十二、一些注意事项

这里是我的一些提醒，不定期更新：

• 1. 香蕉头输出口是电源+万用表复用的，你要插表笔的话，要买公头是突出来的，而不是被塑料包起来的。
• 2. 显示屏排线与屏幕的连接处很脆弱，你弯折排线的时候要注意。

十三、其他

1.还请不用私信我，大二太忙了，没有太多精力搞开源设计，所以一般私信不会回复，在此表示抱歉！
有事情可以进群984946310交流！（答案：雪萌）一般群里的消息我才有时间看并回复，谢谢！群被恶意举报炸了，先进这个：1082694166，答案同上~

2.关于程序，我应该是会更新的极慢，如果你有好的想法/改进，可以pull-request到我的github仓库！

3.求你了多多看看我的源码吧！随然可能写的不咋地，但是绝对有很多你可以学习的东西！我写了大量的注释！不懂得话也可以发群里问，我看到了会解答的！

4.嘛，如果你愿意的话！可以整点打赏，我好回回本顺便支持我的个人博客网站！（QQ私聊咱~❤）

十四、演示小动图