零知派——STM32驱动INA226 高精度功率监测仪（可视化数据记录仪+一键导出Excel）
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项目概述
本项目基于零知标准板（主控芯片为 STM32F103RBT6）和 INA226 高精度电流/功率监测芯片，搭建了一套完整的LED负载功率监测系统。实时采集LED负载的总线电压、电流和功率。在 ST7789 240x320 TFT彩屏上，以三路独立波形（电压、电流、功率）直观展示数据变化趋势，按照 PLX-DAQ 格式实时接收串口输出数据
项目难点及解决方案
问题描述：实时地在TFT屏幕上绘制波形和更新数值，同时不影响数据的串口导出
解决方案：先清空波形区域，再重绘网格和轴线，最后绘制新数据点
一、系统接线部分1.1 硬件清单
硬件名称 数量 说明
零知标准板 (STM32F103RBT6) 1 主控板
INA226 功率监测模块 1 内置0.1Ω分流电阻，建议选择成品模块
ST7789 TFT彩屏 (240x320) 1 SPI接口屏幕，用于数据显示
LED (功率负载) 1 如3W大功率LED
电阻 (如220Ω) 1 用于限制LED电流，确保不超0.5A
杜邦线若干 - 用于连接各模块
5V/3.3V电源 1 为系统供电
1.2 接线方案表 按照代码定义进行连接，ST7789直插零知标准板TFT扩展口，无需单独接线：
INA226模块 零知标准板引脚零知标准板引脚 LED负载 电源
VCC 3.3V 5V (或3.3V) LED 正极电源 正极 (如5V)
GND GND GND LED 负极 IN+ 引脚
SCL A5 无需连接 分流电阻 -
SDA A4 无需连接 IN- 引脚 电源 负极 (GND)
VBUS 电源 正极 (LED+端) D10 - -
IN+ LED 负极 D2 - -
IN- 电源 负极 (GND) D4 - -
1.3 具体接线图
请注意：确保电流严格按照 电源正极 → LED → IN+ → 分流电阻 → IN- → 电源负极 的路径流动
1.4 接线实物图 VBUS必须连接到被测电源的正极（LED正极），INA226正确采样总线电压。如果VBUS悬空，功率寄存器始终为0
二、安装与使用部分2.1 开源平台-输入"INA226 高精度功率监测仪"并搜索-代码下载自动打开
2.2 连接-验证-上传
2.3 调试-串口监视器
三、代码讲解部分 本项目代码核心在于四个部分：INA226的初始化与校准、波形数据的采集与缓存、UI界面的刷新与绘制，以及数据导出格式
3.1 INA226 初始化与校准
void setup() {
Serial.begin(115200);
while (!Serial);
// ── TFT 初始化
tft.init(TFT_WIDTH, TFT_HEIGHT);
tft.invertDisplay(true);
tft.setRotation(1);
tft.fillScreen(C_BG);
showSplashScreen();
delay(1500);
// ── 软件 I2C + INA226 初始化
sw.begin();
sw.setClock(100000);
if (!ina226.begin()) {
tft.fillScreen(C_BG);
tft.setTextColor(0xF800); tft.setTextSize(2);
tft.setCursor(20, 100); tft.print("INA226 NOT FOUND");
tft.setTextColor(C_DIM); tft.setTextSize(1);
tft.setCursor(20, 128); tft.print("SDA=A4SCL=A5");
Serial.println("未检测到INA226，请检查接线！");
while (1) delay(10);
}
int err = ina226.setMaxCurrentShunt(0.5, 0.1, true);
if (err != 0) {
Serial.print("校准失败，错误码: 0x");
Serial.println(err, HEX);
while (1) delay(10);
}
// ── 清空历史缓存
for (int i = 0; i < HISTORY_SIZE; i++) {
voltageHistory = 0;
currentHistory = 0;
powerHistory = 0;
}
// ── 绘制静态界面
drawStaticUI();
// ── PLX-DAQ 初始化（必须在 Serial.begin 之后）
plxDaqInit();
Serial.println("系统初始化完成");
Serial.print("INA226_LIB_VERSION: ");
Serial.println(INA226_LIB_VERSION);
lastSampleTime = millis();
}1）校准函数：ina226.setMaxCurrentShunt(0.5, 0.1, true)
maxCurrent = 0.5：预期的最大电流值，这个值决定了电流寄存器的最小分辨率（Current_LSB）
根据Current_LSB = Maximum_Expected_Current / 2^15 公式：Current_LSB = 0.5 / 32768 ≈ 15.26e-6 A/bit = 15.26 μA/bit
这意味着电流寄存器的每1个LSB代表15.26μA
shunt = 0.1：外部分流电阻的阻值（Ω），INA226需要这个值来将测得的差分电压换算成电流；normalize = true：归一化标志位
2）校准寄存器的计算公式：
库函数根据归一化后的Current_LSB和R_SHUNT计算出校准值，并写入0x05寄存器。之后，INA226内部硬件会自动执行Current = (V_SHUNT × CAL) / 2048的计算，并将结果存入电流寄存器
3.2 UI刷新与波形绘制void updateUI(float voltage, float current, float power) {
// 1. 更新右侧数值面板
updatePanelValues(voltage, current, power);
// 2. 清除波形区域，只保留左侧Y轴一列
tft.fillRect(GRAPH_X + 1, GRAPH_Y, GRAPH_WIDTH - 1, GRAPH_HEIGHT, C_BG);
// 3. 重绘网格和轴线
for (int row = 1; row < 4; row++) {
int yh = GRAPH_Y + row * GRAPH_HEIGHT / 4;
tft.drawFastHLine(GRAPH_X + 1, yh, GRAPH_WIDTH - 1, C_GRID_H);
}
// ... (重绘纵向虚线)
tft.drawFastVLine(GRAPH_X, GRAPH_Y, GRAPH_HEIGHT, C_AXIS);
tft.drawFastHLine(GRAPH_X, GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT, GRAPH_WIDTH, C_AXIS);
// 4. 找到当前缓存区中所有数据的最大值，并乘以1.15作为Y轴动态范围
float maxVal = 0.1f;
for (int i = 0; i < HISTORY_SIZE; i++) {
if (voltageHistory > maxVal) maxVal = voltageHistory;
if (currentHistory > maxVal) maxVal = currentHistory;
if (powerHistory > maxVal) maxVal = powerHistory;
}
maxVal *= 1.15f;
// 5. 绘制Y轴量程标注
tft.fillRect(GRAPH_X + 1, GRAPH_Y, 28, 7, C_BG);
tft.setCursor(GRAPH_X + 1, GRAPH_Y + 1); tft.print(maxVal, 1);
// ... (绘制中点、零点)
// 6. 绘制三路折线图
#define CALC_Y(val) \
(GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT - 1 - \
(int)constrain((val) / maxVal * (float)(GRAPH_HEIGHT - 2), 0.0f, (float)(GRAPH_HEIGHT - 2)))
for (int i = 1; i < HISTORY_SIZE; i++) {
int prevIdx = (historyIndex + i - 1) % HISTORY_SIZE;
int currIdx = (historyIndex + i) % HISTORY_SIZE;
int x1 = GRAPH_X + (i - 1) * 2;
int x2 = GRAPH_X + i * 2;
if (x2 >= GRAPH_X + GRAPH_WIDTH) break;
tft.drawLine(x1, CALC_Y(voltageHistory),
x2, CALC_Y(voltageHistory),VOLTAGE_COLOR);
tft.drawLine(x1, CALC_Y(currentHistory),
x2, CALC_Y(currentHistory),CURRENT_COLOR);
tft.drawLine(x1, CALC_Y(powerHistory),
x2, CALC_Y(powerHistory), POWER_COLOR);
}
// ... (绘制光标竖线)
} 动态Y轴范围：实时扫描整个历史缓冲区，找出电压、电流、功率中的最大值，并在此基础上增加15%的余量作为当前Y轴的上限
坐标映射：宏定义CALC_Y(val)是实现数据到屏幕像素转换的核心，根据当前最大值maxVal，将真实数据val线性映射到波形区的高度范围(GRAPH_HEIGHT)内。constrain函数确保了映射结果不会超出波形区边界
波形绘制：通过循环，将历史缓冲区中相邻的两个数据点用drawLine连接起来。x坐标的间隔为2像素，y坐标通过CALC_Y计算得出
3.3 PLX-DAQ数据导出 使用PLX-DAQ格式，无需实现复杂的文件系统或SD卡写入，只需通过串口发送文本，就可以利用PC端强大的Excel软件完成数据的记录、保存和可视化分析
// ========================== 主循环 ==========================
void loop() {
unsigned long now = millis();
// 按采样间隔执行
if (now - lastSampleTime >= SAMPLE_INTERVAL) {
lastSampleTime = now;
float busVoltage = ina226.getBusVoltage();
float current = ina226.getCurrent_mA();
float power = ina226.getPower_mW();
// current -= 0.8;// 零点漂移补偿（如需要）
// 存入波形缓存
voltageHistory = busVoltage;
currentHistory = current;
powerHistory = power;
// 刷新 TFT 界面
updateUI(busVoltage, current, power);
// 发送 PLX-DAQ 数据到 Excel
plxDaqSend(busVoltage, current, power);
historyIndex = (historyIndex + 1) % HISTORY_SIZE;
}
}
// ========================== PLX-DAQ 函数 ==========================
/**
* PLX-DAQ 初始化
* 向 Excel 发送列标题定义指令，建立数据表头和图表列绑定
* 必须在 setup() 末尾调用一次
*
* PLX-DAQ 指令说明：
* CLEARDATA - 清空 Excel 已有数据，从 A1 重新开始
* LABEL,xxx,xxx,...- 定义各列的表头名称
* RESETTIMER - 将内置计时器归零
* ROW,DATA,x,x,... - 发送一行数据（对应 LABEL 顺序）
* CELL,SET,行,列,值- 直接写入指定单元格（可选）
*/
void plxDaqInit() {
delay(500);// 等待 Excel 插件就绪
// 清空旧数据，从头开始记录
Serial.println("CLEARDATA");
// 定义列标题
// 格式：LABEL,列A标题,列B标题,...
Serial.println("LABEL,Sample,Time_ms,Voltage_V,Current_mA,Power_mW");
// 重置 PLX-DAQ 内置计时器
Serial.println("RESETTIMER");
delay(100);
}
/**
* PLX-DAQ 数据发送
* 每次采样后调用，向 Excel 写入一行数据
*
* Excel 列对应关系：
* A列 = Sample 采样序号（从1开始递增）
* B列 = Time_ms 运行时间戳（秒，保留1位小数）
* C列 = Voltage_V 总线电压（V，保留3位小数）
* D列 = Current_mA 电流（mA，保留2位小数）
* E列 = Power_mW功率（mW，保留2位小数）
*
* PLX-DAQ ROW 指令格式：
* ROW,DATA,值1,值2,值3,...
* 值的顺序必须与 LABEL 定义完全一致
*/
void plxDaqSend(float voltage, float current, float power) {
sampleCount++;
// 构建 PLX-DAQ 数据行
// ROW,DATA 是固定前缀，后接各列数据，逗号分隔
Serial.print("ROW,DATA,");
Serial.print(sampleCount); // A列：采样序号
Serial.print(",");
Serial.print(millis() / 1000.0, 1); // B列：时间戳（秒，1位小数）
Serial.print(",");
Serial.print(voltage, 3); // C列：电压 V（3位小数）
Serial.print(",");
Serial.print(current, 2); // D列：电流 mA（2位小数）
Serial.print(",");
Serial.println(power, 2); // E列：功率 mW（2位小数，println自动换行）
// ── 可选：同步输出普通调试信息（不影响PLX-DAQ解析，需注释掉避免干扰）
// 注意：PLX-DAQ 只解析以 ROW/LABEL/CLEARDATA 等关键字开头的行
// 其余行会被忽略，普通 Serial.print 调试信息不会干扰 Excel 采集
// 但建议调试完成后注释掉以保持输出整洁
Serial.print(" V="); Serial.print(voltage,3);
Serial.print(" I="); Serial.print(current,2);
Serial.print("mA P="); Serial.print(power,2); Serial.println("mW");
}
PLX-DAQ协议：打开串口时，它会识别特定的命令和数据格式
DATA 命令：告诉PLX-DAQ，接下来的一行是数据行，数据项之间用逗号分隔
TIMESTAMP 命令（可选）：可以在数据前添加时间戳、LABEL 命令（可选）：可以在数据开始前定义列标题
3.4 数据结构与波形缓存// -------------------------- 引脚定义 --------------------------
#define TFT_CS 10
#define TFT_DC 2
#define TFT_RST 4
// -------------------------- 屏幕参数 --------------------------
#define TFT_WIDTH240
#define TFT_HEIGHT 320
Adafruit_ST7789 tft = Adafruit_ST7789(TFT_CS, TFT_DC, TFT_RST);
// -------------------------- INA226 --------------------------
SoftWire sw(SCL, SDA, SOFT_STANDARD);
INA226 ina226(0x40, &sw);
// -------------------------- 波形缓存配置 --------------------------
const int HISTORY_SIZE = 96;
float voltageHistory;
float currentHistory;
float powerHistory;
int historyIndex = 0;
// -------------------------- PLX-DAQ 配置 --------------------------
unsigned long sampleCount = 0; // 采样计数器（Excel A列）
unsigned long lastSampleTime = 0; // 上次采样时间戳
#define SAMPLE_INTERVAL 1000 // 采样间隔 ms（与 delay 保持一致）
// -------------------------- 显示区域坐标 --------------------------
#define GRAPH_X 8
#define GRAPH_Y 26
#define GRAPH_WIDTH 196
#define GRAPH_HEIGHT174
#define PANEL_X 210
#define PANEL_Y 0
#define PANEL_WIDTH 110
// -------------------------- 颜色定义 (RGB565) --------------------------
#define C_BG 0x0000
#define C_TITLEBAR0x0883
#define C_PANEL 0x0883
#define C_DIVIDER 0x2965
#define C_GRID_H 0x10A2
#define C_GRID_V 0x0841
#define C_AXIS 0x3186
#define C_TEXT 0xFFFF
#define C_DIM 0x8410
#define C_LABEL 0xAD55
#define VOLTAGE_COLOR 0xFD20
#define CURRENT_COLOR 0x07EF
#define POWER_COLOR 0xF81F
#define BACKGROUNDC_BG
#define TEXT_COLORC_TEXT
#define AXIS_COLORC_AXIS
#define PANEL_COLOR C_PANEL
// -------------------------- 函数声明 --------------------------
void showSplashScreen();
void drawStaticUI();
void drawAxes();
void drawPanelStaticText();
void drawLegend();
void updateUI(float voltage, float current, float power);
void updatePanelValues(float voltage, float current, float power);
void plxDaqInit();
void plxDaqSend(float voltage, float current, float power);
voltageHistory、currentHistory、powerHistory三个独立的缓冲区，分别存储三种物理量的历史值
系统流程图
四、项目结果演示4.1 操作流程①编译烧录
按照接线方案表连接好所有硬件，并仔细检查电流检测回路和VBUS连接是否正确。打开零知派软件，将项目代码烧录到零知标准板
②打开串口监视器/Excel
查看实时数据
打开零知派的串口监视器（波特率115200），可以看到每秒输出的电压、电流、功率数据
导出数据到Excel
安装PLX-DAQ v2加载项到Excel、在Excel中打开PLX-DAQ工具、选择正确的COM口和波特率（115200）、点击“Connect”按钮。此时，Excel会开始实时接收并显示数据
③系统运行
TFT屏幕将显示启动画面，然后进入主界面
观察屏幕，右侧面板将实时更新电压、电流、功率的数值；左侧波形区域将开始绘制三条不同颜色的波形曲线，并随时间滚动
4.2 视频演示
视频演示了基于零知标准板（STM32F103）和INA226芯片的功率监测系统。系统通过TFT彩屏实时显示电压、电流、功率的数值及动态波形。同时，通过串口以PLX-DAQ格式输出数据，可直接导入Excel进行实时图表绘制和数据记录。视频展示了系统从启动到数据导出的完整过程
五、INA226 技术讲解 INA226内部的核心是一个16位ΔΣ型ADC，可以测量两个电压：分流电压（IN+ 与 IN- 之差）和总线电压（VBUS引脚对地电压）。测量结果经过数字滤波和平均后，存入相应的电压寄存器
如果校准寄存器被正确编程，硬件乘法器会自动计算出电流和功率值，并存入电流寄存器和功率寄存器
5.1 校准寄存器的计算 INA226本身并不知道你使用了多大的分流电阻，也不知道希望电流数据以何种分辨率呈现。校准就是告诉芯片这两个参数，从而使它能正确计算电流和功率
计算公式
Max_Expected_Current=0.5A、R_SHUNT=0.1Ω
理论Current_LSB=0.5/32768≈15.26μA/bit，归一化后，库选择Current_LSB=20μA/bit（大于15.26的最小整数倍）
电压、电流、功率的读取流程
getBusVoltage()、getCurrent_mA()、getPower_mW() 函数内部完成了寄存器读取和数值转换
5.2 I2C通信协议 INA226作为I2C从设备，地址可通过A0/A1引脚配置，本代码使用默认地址0x40
写操作时序
对寄存器的写入操作由主机发送首个字节开始，该字节为从机地址，且读写位为低电平
读操作时序
从设备读取数据时，通过写操作存入寄存器指针的最后一个值，将决定读操作期间读取哪个寄存器
寄存器映射
低侧检测电流路径
电源正极 → LED负载 → INA226 IN+ → [分流电阻] → INA226 IN- → 电源负极(GND)
|—— 电压测量差分对 ——|
六、常见问题解答（FAQ）Q1: 为什么屏幕上的电流或功率一直显示0？ A: 请检查：1) 电流检测回路是否正确（IN+接负载侧，IN-接地侧）；2) VBUS是否连接到负载电源正极；3) 校准参数中的分流电阻值是否与实际一致
Q2: Excel无法接收到数据？
A: 确保PLX-DAQ选择的COM口正确，波特率与代码一致（115200），且没有其他程序占用串口
Q3: 能否测量负电流（如电池放电/充电双向）？
A: 可以。INA226的电流寄存器是有符号数，当电流反向（从IN-流向IN+）时，读数会变为负数。您可以在代码中直接获取负值并显示
项目资源整合
INA226数据手册： ina226.pdf
INA226库文件： RobTillaart/INA226
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