自制XT60功率计：90V/75A峰值，24位ADC，触控彩屏+WiFi，软硬件全开源

zeruns

做航模、无人机、电池充放电测试时，经常需要一台能直接串在 XT60 回路里的功率计：要看得清大电流下的电压跌落，抓得住插拔瞬间的浪涌，最好还能把数据同步到电脑。市面上的成品要么屏幕小，要么没有波形，要么数据只能自己看，于是自己做了这台。

硬件、固件、外壳、生产文件全部开源，复刻资料在文末。



演示视频（B站）：https://www.bilibili.com/video/BV1pNWU6qE3P/
电子/单片机技术交流QQ群：307449735

先把边界说清楚：75A是峰值，额定是±30A；它是一台调试工具，不是计量仪器。另外本项目的软件部分由AI开发，硬件是我自己画的，固件从架构到实现基本交给AI，我做需求定义、方案评审和实机验证。介意这点的可以关掉，关心能不能用、怎么复刻的继续往下看，代码、文档、测试工具都是公开的。

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一、主要参数

• 主控：ESP32-S3-WROOM-1-N16R8（16MB Flash + 8MB 八线PSRAM，双核240MHz）
• 计量ADC：TI ADS131M02，24bit Σ-Δ，双通道同步采样 4kSPS
• 电压量程：0~90V（101:1分压链路理论±121V，受辅助电源最高100V输入限制取90V）
• 电流量程：峰值±75A（1mΩ+PGA 16x的ADC满量程）；额定±30A（XT60接口额定30A，5W分流器上限70A）
• 电流采样：1mΩ/5W 四端开尔文分流器，分辨率约8.94µA/LSB
• 电压采样：100kΩ/1kΩ、±0.1%薄膜电阻分压，零漂移运放缓冲，分辨率约14.5µV/LSB
• 显示：1.83寸 IPS，240×284，NV3030B控制器（QSPI），CST816D电容触摸
• 传感器：AHT20温湿度、SC7A20HTR三轴加速度计（自动转屏）
• 供电：XT60输入（SY8511BADC降压3.3V/1A）/ USB / 单节锂电池（TLV62084 3.3V/2A），TPS2116自动优先切换，TP4057 400mA充电
• 自身功耗：约0.7W
• 告警：过压/过流/过功率阈值可设（上限90V/70A/6300W），过温65℃双温度源恒开保护
  

注意：2mA以下电流按0显示（小信号死区），消除分流器噪声造成的末位跳动，波形页仍能看到mA级原始采样。XT60供电档最低5V才能启动。

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二、成品展示

3D打印外壳，上盖、中框、底盖三件式，螺丝固定。正面触摸屏，屏幕左侧是状态指示灯和复位键，侧面K1/K2两颗实体按键，触屏能完成的操作纯按键也能完成。Type-C旁的开关选择电池/USB或XT60供电路径。




整机上下两块PCB叠层：上板负责主控、显示、传感器、按键、电压分压与电源管理，下板负责XT60输入输出和1mΩ分流器。电池在上板背面，夹在两块板中间，包青稞纸用双面胶固定。




本地界面三页：测量/波形/设置。测量页大数字显示电压电流功率电能，底部温湿度和峰谷值，电能行可点击在Wh/Ah之间切换。波形页是示波器风格，V/I/P多模式，1秒到10分钟六档时间窗，纵轴按1-2-5标准格值自动量程，刻度锚定整格值可直接心算读数。






（界面图来自项目自带的PC端LVGL模拟器，与实机渲染一致）

连上WiFi后，同一局域网的手机或电脑浏览器访问设备IP就能打开网页控制台，不用装App：实时数据、波形、设置、API、日志五个页签，WebSocket 15Hz推送，断线自动重连；波形页支持暂停、拖动回看、十字光标读数、CSV导出。设置页打开即从设备回读当前值，标定参数可直接读写；API页每张卡片带Test按钮，就地发真实请求看状态码和响应。

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三、硬件设计

系统框架如下：



1. 电源与电池管理
三路供电：XT60被测回路、USB-C、单节锂电池。XT60输入经SY8511BADC降到3.3V（最大1A），USB/电池经TLV62084降到3.3V（最大2A），TPS2116在USB与电池之间做优先级切换（优先USB）；TP4057负责400mA充电，电池电压经1:1分压进ESP32的ADC做电量显示。
USB与电池的优先级切换除了TPS2116方案（V2板），还做了一个分立MOS实现的版本（V1板），原理图都在仓库里。



2. 电压采样
100kΩ/1kΩ、±0.1%薄膜电阻做101:1精密分压，经零漂移运放LRA8551A缓冲后进ADS131M02的CH1（PGA 1x）。分压链路理论满量程121V，但辅助电源最高输入100V，所以设计量程取0~90V，折算单LSB约14.5µV。



3. 电流采样
1mΩ/5W四端开尔文分流器，采样点独立于大电流走线，避免把铜箔电阻测进去；信号经RC滤波后直接进ADS131M02 CH0（PGA 16x），满量程对应±75A峰值（1LSB≈8.94µA）。
受5W分流器功率限制，额定最大70A（70A时压降70mV、功耗4.9W）；XT60接口额定30A（30A时压降30mV、功耗0.9W）。需要长期更大电流的，可以自己重画底板换XT90。

为什么用1mΩ：要覆盖±75A峰值、额定30A，又要把分流器发热控制在5W以内。代价是小信号噪声大（单帧σ≈2mA），固件用200ms块均值+2mA死区解决空载跳动。

4. PCB设计要点

• 上下板叠层，排针排母连接，屏幕和芯片走上板，大电流路径全部丢下板
• ISENSE是差分小信号，走线尽量短，远离DC-DC电感和开关节点
• ADC的SPI和DRDY走线缩短，别跟时钟线、开关噪声长距离并行
• 大电流路径铜箔加粗配合铜排，压低30A额定、75A峰值下的压降和温升
  

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四、软件设计

固件基于ESP-IDF v6.1 + LVGL 9.6，按驱动/中间件/服务/应用分层，业务代码不直接调裸外设API。

测量链路：

• ADS131M02每250µs拉一次DRDY，SPI3+GDMA读完整4字帧（STATUS/CH0/CH1/CRC）
• CRC-16/CCITT校验通过后，按标定参数换算电压、电流、瞬时功率
• 原始样本写进PSRAM三级环形缓冲，供波形页回看和降采样
• 每200ms结算块均值、平均功率、峰谷值与告警，同时积分电能和容量
• 每25ms产出一帧40Hz快照，UI和网页只读快照，不直接碰测量数据
  

双核分工：Core 1跑采样和测量，Core 0跑LVGL渲染、按键和WiFi/HTTP服务。WiFi协议栈会周期性吃掉不少CPU，和4kHz采样抢核会造成采样抖动，直接反映到读数上，所以测量单独占一个核。

工程化方面也做了一些：

• 双OTA分区+启动回滚：拉取式升级写备用分区，启动失败自动退回旧版本（网页控制台目前还没做上传入口，救砖以USB/串口烧录为准）
• coredump：崩溃现场写独立分区，重启后可导出分析
• PC端UI模拟器：同一份界面源码在Windows上渲染并批量截图，烧录前做布局回归
• 主机端单元测试：补码扩展、标定换算、电能积分、按键状态机等纯逻辑不依赖硬件就能测
• 字库子集化：启动页文案用编进固件的极小子集，首帧即完整中文；主界面全量字库放独立storage分区后台加载
  

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五、外壳与组装

外壳用SolidWorks设计，源文件和3MF打印文件都在仓库里。




组装顺序：

• 中框上的8个螺丝孔压入热熔螺母（电烙铁加热压入）
• 下板装进底盖，放上中框（注意方向），拧上底盖四颗螺丝
• 电池包青稞纸后接到上板电池座，用双面胶粘在上板底面（ESP32模组那一面）
• 对准排针，把上板连同电池扣到中框上
• 盖上上盖
• 最后接屏幕，屏幕背面贴双面胶固定
  

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六、复刻与成本

主要物料参考价（价格随市场波动，仅供参考）：

• ESP32-S3-WROOM-1-N16R8 ×1：约31.6元
• ADS131M02 ×1：约16.8元
• 1.83寸电容触摸屏（NV3030B，含排线）×1：约14.8元
• 1mΩ/5W四端开尔文分流器 ×1：约3.7元
• 500mAh锂电池 ×1：约8.2元
• 外壳3D打印一套：约15元
• PCB上板+下板：嘉立创免费打样
  

打板建议板厚1.2mm，阻抗/层压按默认工艺。焊接走钢网+加热台路线：刷锡膏、贴装、回流，再焊直插件。仓库里有交互式BOM，浏览器打开点位号会高亮，焊接时很方便。

烧录两种方式：

• 装好ESP-IDF v6.1后，运行仓库里的 build_fw.bat 编译、flash_fw.bat COMx 烧录
• 不装ESP-IDF也可以用浏览器ESPConnect（Chrome/Edge + Web Serial）直接烧
  

注意：不要只烧app！完整固件有5个镜像，中文字库在独立的storage分区，只走OTA升级会出现"升级成功但中文还是方框"。镜像偏移表和排错见仓库的构建烧录文档。

校准步骤：

• 空载进设置→测量设置→电流零点校准，采样3秒自动归零
• 输入已知标准电压（如12.000V），按实测值修正电压增益/零偏
• 串联标准表或电子负载，修正电流参数
• 校准参数写入NVS，掉电和固件升级后保留
  

整机自身功耗约0.7W：

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七、目前存在的问题

① USB/电池供电时的电压倒灌
电池/USB供电时，3.3V会经过XT60取电Buck内部MOS的体二极管，再经过供电控制MOS（Q4）的体二极管倒灌到XT60接口，所以没有输入的情况下测量界面也可能显示约2.45V（3.3V经MOS体二极管压降）。



解决办法：

• 电路上彻底解决：Q4后面再加一个MOS背对背
• 不想改电路、也用不到XT60取电的，可以不焊那路Buck，只用电池供电
• 不需要电池/USB供电的，开关直接拨到XT60供电档就没有这条倒灌路径
  

② 待实现功能

• OTA网页升级入口（双分区和拉取式升级基础已有）
• USB串口上位机功能及配套软件
  

这些我有空会做，也欢迎自己做了提PR。

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八、资料下载

Gitee仓库：https://gitee.com/zeruns/xt60-power-meter
GitHub仓库：https://github.com/zeruns/xt60-power-meter
立创开源平台工程：https://oshwhub.com/zeruns/xt60-power-meter-esp32
详细图文博文：https://blog.zeruns.com/archives/967.html

仓库目录：

• 01-Hardware：立创EDA工程，上板与下板原理图PDF
• 02-Software：ESP-IDF固件、架构文档、烧录指南、UI模拟器
• 03-Datasheet：器件数据手册与屏幕资料
• 04-外壳设计：上盖/中框/底盖、SolidWorks装配体与PCB模型
• 05-生产文件：Gerber、钢网、BOM、位号图、交互式焊接辅助、3MF
  

许可证：硬件采用CERN OHL-S v2（衍生硬件须同许可证开源），固件采用MIT。

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九、我的其他开源项目

• 三相电量采集器，方便监测家里用电情况：https://blog.zeruns.com/archives/771.html
• 基于STM32的同步整流Buck-Boost数字电源：https://blog.zeruns.com/archives/791.html
• 基于CH32V307的智能电子负载（嵌入式大赛作品）：https://blog.zeruns.com/archives/785.html
• 基于SC8703的升降压DCDC可调电源，支持PD快充输入：https://blog.zeruns.com/archives/929.html
• 140W+65W升降压PD3.1快充模块（2C+1A口，IP6557+IP6538）：https://blog.zeruns.com/archives/801.html
• 24V3A反激式开关电源（UC3842，含电路和变压器参数计算）：https://blog.zeruns.com/archives/910.html
• 开源TypeC拓展坞，4个10Gbps USBA口+2.5G网卡+读卡器：https://blog.zeruns.com/archives/868.html
  

免责声明：本设备测量结果不作为计量认证依据；90V/±75A峰值属于危险电压电流，接线、焊接、测试请防短路、防触电、防反接，大电流测试用合适线径和接头；使用本项目硬件或固件造成的任何直接或间接损失，作者不承担责任。

欢迎复刻，有问题和改进建议可以回帖交流，也可以到Gitee提Issue。

ckvlhf

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