自制 USB-C 电源传输工具：OLED 功率计 + Wi-Fi 数据记录器

如今，USB-C充电器随处可见——手机、平板电脑和笔记本电脑都离不开它们。它们可以提供高达100瓦的功率，足以作为创客项目的灵活电源。

但问题在于：作为一名开发者，我没有简单的方法来查看 USB-C 电源传输线路上实际发生的情况。充电器实际协商的电压和电流是多少？电源的稳定性如何？

这就是我为“工具设计大赛”设计自己的工具的原因。我的目标是将普通的 USB-C 充电器变成一种可以在实验室中真正进行测量、监控和信赖的工具——而无需昂贵的测试设备。

USB-C 电源传输 (PD) 不仅仅是一种充电标准。它允许设备和充电器根据具体情况协商合适的电压和电流。PD 支持5V 至 20V 的电压范围和高达100W 的功率，因此同一个充电器可以安全地为手机、平板电脑甚至笔记本电脑充电。

对于创客来说，这意味着 USB-C 充电器可以作为灵活的实验室电源。无需在工作台上放置多个电源，一个小型适配器就能满足多种需求——前提是您拥有合适的工具来控制和测量它。

要请求特定电压，你需要一个小型控制器芯片。CH224K 就是一个很好的例子，它能简化电压协商过程。有了这样的芯片，你就可以轻松地将任何 USB-C PD 充电器变成一个紧凑型可调电源。

Hackaday CH224K USB PD Decoy等项目提供了极佳的灵感和即用型分线板，可用于原型设计。

为了探索 USB-C 电源传输技术，我设计了两款互补的工具。它们的用途相同——测量电压、电流和功率——但测量方式不同：

1. 功率计
2. 这款小巧的设备配备OLED显示屏，可即时显示电压、电流和功率值。只需将其连接在USB-C充电器和设备之间，屏幕上就会显示这些数值。如果您需要快速、实时的反馈信息，它将是您的理想之选。
3. PD 日志记录器
4. 这是一款无头设备，没有显示屏，但具备 Wi-Fi 连接功能。插入电源后，它会显示一个小型网页，您可以通过网络上的任何浏览器查看实时数据。更棒的是，它还能记录数小时的数据，并提供电压、电流和功率随时间变化的交互式图表。这使其成为分析稳定性和长期运行情况的理想选择。

这两个设备都易于使用——只需将它们放在充电器和负载之间，剩下的工作就交给它们来完成。通电后，PD Logger 会加入您的本地 Wi-Fi 网络，您可以通过浏览器访问其主机名pd-logger.local（或者通过其 IP 地址，例如 http://192.168.0.xxx）。

根据您的需求，您可以选择快速读取的功率计或基于浏览器的长期PD 记录器。

两款设备结构相似：一块主PCB板、一块带有USB-C公头的微型电路板以及一个3D打印外壳。外壳采用Fusion 360设计，可使用任何标准FDM打印机进行打印。

1. 印刷电路板
2. 生产数据（Gerber 文件）已包含在 GitHub 代码库中。您可以从JLCPCB等服务商订购电路板，当然其他 PCB 制造商也可以。
3. 电子
4. 这两款设备均采用6针斜角接头将公头USB-C插头板连接到主PCB板上。这种设计既保证了电气连接性，又提供了机械稳定性。
5. 在功率计中，OLED 显示屏直接焊接在主 PCB 上。
6. 在PD Logger中，ESP-01s Wi-Fi 模块是焊接固定的。
7. 案例
8. 每个设备都由三部分组成外壳（顶盖、底盖和内嵌件）。Fusion 360 设计文件已包含在内，STL 文件可直接打印。打印过程中，您可以在正确的图层暂停，将四个小螺母（M2）嵌入外壳中，以便使用螺钉（M2x10）将设备固定。

有了这些组件——PCB、零件和3D打印外壳——你就拥有了组装这两个工具所需的一切。

这两款设备都运行自定义固件，您可以使用Visual Studio Code (VS Code)中的PlatformIO构建并上传该固件。所有源代码和配置文件都可以在GitHub 存储库中找到。

1. 功率计（STM32）
2. 功率计使用 STM32 微控制器。要对其进行编程，您需要一个ST-Link 适配器。PCB 板上有一个专用的编程接口，即使微控制器已经焊接到位，您也可以连接 ST-Link。连接完成后，只需在 PlatformIO 中打开项目并运行上传任务即可。
3. PD 记录仪（ESP-01s）
4. PD Logger 使用 ESP-01s Wi-Fi 模块。您可以使用常见的 ESP-01 编程器对其进行编程。与功率计类似，板上的排针方便进行编程。
5. 一个重要的细节：在刷写固件时，ESP-01 必须通电。将 PD Logger 连接到 USB-C 充电器，并在输出端连接负载，以便启动 Power Delivery 协商。只有这样，设备才能获得足够的电力进行编程。
6. 除了上传固件之外，您还必须将Web 界面文件上传到 ESP 的LittleFS 存储中。PlatformIO 提供了一个用于此操作的任务（通常是“上传文件系统镜像”）。如果没有此步骤，内置 Web 服务器将无法正常显示。

【结论】

有了这两款小巧的设备，我终于拥有了真正了解 USB-C 电源传输情况所需的工具。OLED 功率计非常适合快速检查，而 Wi-Fi PD 数据记录器则在需要记录数小时数据并在浏览器中分析趋势时表现出色。

这两款工具都体积小巧、价格实惠且开源。所有设计文件——包括原理图、PCB布局、3D打印外壳和固件——都可以在GitHub代码库中免费获取。这使得任何人都能轻松地复现、修改或扩展设计。

我当初是为了参加“工具制作大赛”才制作了这些设备，但更重要的是，它们已经成为我工具箱里不可或缺的一部分。现在，我不用再猜测我的 USB-C 充电器在做什么，而是可以自信地测量并记录它们的详细信息。

我希望这能启发你亲自尝试一下，甚至改进或扩展这个项目。如果你真的这么做了，我很想看看你的作品！