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

1. void setup() {
   
2.   Serial.begin(115200);
   
3.   while (!Serial);
   
4. 
   
5.   // ── TFT 初始化
   
6.   tft.init(TFT_WIDTH, TFT_HEIGHT);
   
7.   tft.invertDisplay(true);
   
8.   tft.setRotation(1);
   
9.   tft.fillScreen(C_BG);
   
10.   showSplashScreen();
    
11.   delay(1500);
    
12. 
    
13.   // ── 软件 I2C + INA226 初始化
    
14.   sw.begin();
    
15.   sw.setClock(100000);
    
16. 
    
17.   if (!ina226.begin()) {
    
18.     tft.fillScreen(C_BG);
    
19.     tft.setTextColor(0xF800); tft.setTextSize(2);
    
20.     tft.setCursor(20, 100); tft.print("INA226 NOT FOUND");
    
21.     tft.setTextColor(C_DIM); tft.setTextSize(1);
    
22.     tft.setCursor(20, 128); tft.print("SDA=A4  SCL=A5");
    
23.     Serial.println("未检测到INA226，请检查接线！");
    
24.     while (1) delay(10);
    
25.   }
    
26. 
    
27.   int err = ina226.setMaxCurrentShunt(0.5, 0.1, true);
    
28.   if (err != 0) {
    
29.     Serial.print("校准失败，错误码: 0x");
    
30.     Serial.println(err, HEX);
    
31.     while (1) delay(10);
    
32.   }
    
33. 
    
34.   // ── 清空历史缓存
    
35.   for (int i = 0; i < HISTORY_SIZE; i++) {
    
36.     voltageHistory[i] = 0;
    
37.     currentHistory[i] = 0;
    
38.     powerHistory[i]   = 0;
    
39.   }
    
40. 
    
41.   // ── 绘制静态界面
    
42.   drawStaticUI();
    
43. 
    
44.   // ── PLX-DAQ 初始化（必须在 Serial.begin 之后）
    
45.   plxDaqInit();
    
46. 
    
47.   Serial.println("系统初始化完成");
    
48.   Serial.print("INA226_LIB_VERSION: ");
    
49.   Serial.println(INA226_LIB_VERSION);
    
50. 
    
51.   lastSampleTime = millis();
    
52. }

复制代码

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

1. void updateUI(float voltage, float current, float power) {
   
2.   // 1. 更新右侧数值面板
   
3.   updatePanelValues(voltage, current, power);
   
4. 
   
5.   // 2. 清除波形区域，只保留左侧Y轴一列
   
6.   tft.fillRect(GRAPH_X + 1, GRAPH_Y, GRAPH_WIDTH - 1, GRAPH_HEIGHT, C_BG);
   
7. 
   
8.   // 3. 重绘网格和轴线
   
9.   for (int row = 1; row < 4; row++) {
   
10.     int yh = GRAPH_Y + row * GRAPH_HEIGHT / 4;
    
11.     tft.drawFastHLine(GRAPH_X + 1, yh, GRAPH_WIDTH - 1, C_GRID_H);
    
12.   }
    
13.   // ... (重绘纵向虚线)
    
14.   tft.drawFastVLine(GRAPH_X, GRAPH_Y, GRAPH_HEIGHT, C_AXIS);
    
15.   tft.drawFastHLine(GRAPH_X, GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT, GRAPH_WIDTH, C_AXIS);
    
16. 
    
17.   // 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
    
18.   float maxVal = 0.1f;
    
19.   for (int i = 0; i < HISTORY_SIZE; i++) {
    
20.     if (voltageHistory[i] > maxVal) maxVal = voltageHistory[i];
    
21.     if (currentHistory[i] > maxVal) maxVal = currentHistory[i];
    
22.     if (powerHistory[i]   > maxVal) maxVal = powerHistory[i];
    
23.   }
    
24.   maxVal *= 1.15f;
    
25. 
    
26.   // 5. 绘制Y轴量程标注
    
27.   tft.fillRect(GRAPH_X + 1, GRAPH_Y, 28, 7, C_BG);
    
28.   tft.setCursor(GRAPH_X + 1, GRAPH_Y + 1); tft.print(maxVal, 1);
    
29.   // ... (绘制中点、零点)
    
30. 
    
31.   // 6. 绘制三路折线图
    
32.   #define CALC_Y(val) \
    
33.       (GRAPH_Y + GRAPH_HEIGHT - 1 - \
    
34.        (int)constrain((val) / maxVal * (float)(GRAPH_HEIGHT - 2), 0.0f, (float)(GRAPH_HEIGHT - 2)))
    
35.   for (int i = 1; i < HISTORY_SIZE; i++) {
    
36.     int prevIdx = (historyIndex + i - 1) % HISTORY_SIZE;
    
37.     int currIdx = (historyIndex + i)     % HISTORY_SIZE;
    
38. 
    
39.     int x1 = GRAPH_X + (i - 1) * 2;
    
40.     int x2 = GRAPH_X + i * 2;
    
41.     if (x2 >= GRAPH_X + GRAPH_WIDTH) break;
    
42. 
    
43.     tft.drawLine(x1, CALC_Y(voltageHistory[prevIdx]),
    
44.                  x2, CALC_Y(voltageHistory[currIdx]),  VOLTAGE_COLOR);
    
45.     tft.drawLine(x1, CALC_Y(currentHistory[prevIdx]),
    
46.                  x2, CALC_Y(currentHistory[currIdx]),  CURRENT_COLOR);
    
47.     tft.drawLine(x1, CALC_Y(powerHistory[prevIdx]),
    
48.                  x2, CALC_Y(powerHistory[currIdx]),    POWER_COLOR);
    
49.   }
    
50.   // ... (绘制光标竖线)
    
51. }

复制代码

        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

1. // ========================== 主循环 ==========================
   
2. void loop() {
   
3.   unsigned long now = millis();
   
4. 
   
5.   // 按采样间隔执行
   
6.   if (now - lastSampleTime >= SAMPLE_INTERVAL) {
   
7.     lastSampleTime = now;
   
8. 
   
9.     float busVoltage = ina226.getBusVoltage();
   
10.     float current    = ina226.getCurrent_mA();
    
11.     float power      = ina226.getPower_mW();
    
12. 
    
13.     // current -= 0.8;  // 零点漂移补偿（如需要）
    
14. 
    
15.     // 存入波形缓存
    
16.     voltageHistory[historyIndex] = busVoltage;
    
17.     currentHistory[historyIndex] = current;
    
18.     powerHistory[historyIndex]   = power;
    
19. 
    
20.     // 刷新 TFT 界面
    
21.     updateUI(busVoltage, current, power);
    
22. 
    
23.     // 发送 PLX-DAQ 数据到 Excel
    
24.     plxDaqSend(busVoltage, current, power);
    
25. 
    
26.     historyIndex = (historyIndex + 1) % HISTORY_SIZE;
    
27.   }
    
28. }
    
29. 
    
30. // ========================== PLX-DAQ 函数 ==========================
    
31. 
    
32. /**
    
33. * PLX-DAQ 初始化
    
34. * 向 Excel 发送列标题定义指令，建立数据表头和图表列绑定
    
35. * 必须在 setup() 末尾调用一次
    
36. *
    
37. * PLX-DAQ 指令说明：
    
38. *   CLEARDATA          - 清空 Excel 已有数据，从 A1 重新开始
    
39. *   LABEL,xxx,xxx,...  - 定义各列的表头名称
    
40. *   RESETTIMER         - 将内置计时器归零
    
41. *   ROW,DATA,x,x,...   - 发送一行数据（对应 LABEL 顺序）
    
42. *   CELL,SET,行,列,值  - 直接写入指定单元格（可选）
    
43. */
    
44. void plxDaqInit() {
    
45.   delay(500);  // 等待 Excel 插件就绪
    
46. 
    
47.   // 清空旧数据，从头开始记录
    
48.   Serial.println("CLEARDATA");
    
49. 
    
50.   // 定义列标题
    
51.   // 格式：LABEL,列A标题,列B标题,...
    
52.   Serial.println("LABEL,Sample,Time_ms,Voltage_V,Current_mA,Power_mW");
    
53. 
    
54.   // 重置 PLX-DAQ 内置计时器
    
55.   Serial.println("RESETTIMER");
    
56. 
    
57.   delay(100);
    
58. }
    
59. 
    
60. /**
    
61. * PLX-DAQ 数据发送
    
62. * 每次采样后调用，向 Excel 写入一行数据
    
63. *
    
64. * Excel 列对应关系：
    
65. *   A列 = Sample    采样序号（从1开始递增）
    
66. *   B列 = Time_ms   运行时间戳（秒，保留1位小数）
    
67. *   C列 = Voltage_V 总线电压（V，保留3位小数）
    
68. *   D列 = Current_mA 电流（mA，保留2位小数）
    
69. *   E列 = Power_mW  功率（mW，保留2位小数）
    
70. *
    
71. * PLX-DAQ ROW 指令格式：
    
72. *   ROW,DATA,值1,值2,值3,...
    
73. *   值的顺序必须与 LABEL 定义完全一致
    
74. */
    
75. void plxDaqSend(float voltage, float current, float power) {
    
76.   sampleCount++;
    
77. 
    
78.   // 构建 PLX-DAQ 数据行
    
79.   // ROW,DATA 是固定前缀，后接各列数据，逗号分隔
    
80.   Serial.print("ROW,DATA,");
    
81.   Serial.print(sampleCount);          // A列：采样序号
    
82.   Serial.print(",");
    
83.   Serial.print(millis() / 1000.0, 1); // B列：时间戳（秒，1位小数）
    
84.   Serial.print(",");
    
85.   Serial.print(voltage, 3);           // C列：电压 V（3位小数）
    
86.   Serial.print(",");
    
87.   Serial.print(current, 2);           // D列：电流 mA（2位小数）
    
88.   Serial.print(",");
    
89.   Serial.println(power, 2);           // E列：功率 mW（2位小数，println自动换行）
    
90. 
    
91.   // ── 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）
    
92.   // 注意：PLX-DAQ 只解析以 ROW/LABEL/CLEARDATA 等关键字开头的行
    
93.   //       其余行会被忽略，普通 Serial.print 调试信息不会干扰 Excel 采集
    
94.   //       但建议调试完成后注释掉以保持输出整洁
    
95.   Serial.print("[DBG] V="); Serial.print(voltage,3);
    
96.   Serial.print(" I="); Serial.print(current,2);
    
97.   Serial.print("mA P="); Serial.print(power,2); Serial.println("mW");
    
98. }
    

复制代码

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

1. // -------------------------- 引脚定义 --------------------------
   
2. #define TFT_CS    10
   
3. #define TFT_DC    2
   
4. #define TFT_RST   4
   
5. 
   
6. // -------------------------- 屏幕参数 --------------------------
   
7. #define TFT_WIDTH  240
   
8. #define TFT_HEIGHT 320
   
9. Adafruit_ST7789 tft = Adafruit_ST7789(TFT_CS, TFT_DC, TFT_RST);
   
10. 
    
11. // -------------------------- INA226 --------------------------
    
12. SoftWire sw(SCL, SDA, SOFT_STANDARD);
    
13. INA226 ina226(0x40, &sw);
    
14. 
    
15. // -------------------------- 波形缓存配置 --------------------------
    
16. const int HISTORY_SIZE = 96;
    
17. float voltageHistory[HISTORY_SIZE];
    
18. float currentHistory[HISTORY_SIZE];
    
19. float powerHistory[HISTORY_SIZE];
    
20. int   historyIndex = 0;
    
21. 
    
22. // -------------------------- PLX-DAQ 配置 --------------------------
    
23. unsigned long sampleCount = 0;        // 采样计数器（Excel A列）
    
24. unsigned long lastSampleTime = 0;     // 上次采样时间戳
    
25. #define SAMPLE_INTERVAL 1000          // 采样间隔 ms（与 delay 保持一致）
    
26. 
    
27. // -------------------------- 显示区域坐标 --------------------------
    
28. #define GRAPH_X       8
    
29. #define GRAPH_Y       26
    
30. #define GRAPH_WIDTH   196
    
31. #define GRAPH_HEIGHT  174
    
32. #define PANEL_X       210
    
33. #define PANEL_Y       0
    
34. #define PANEL_WIDTH   110
    
35. 
    
36. // -------------------------- 颜色定义 (RGB565) --------------------------
    
37. #define C_BG        0x0000
    
38. #define C_TITLEBAR  0x0883
    
39. #define C_PANEL     0x0883
    
40. #define C_DIVIDER   0x2965
    
41. #define C_GRID_H    0x10A2
    
42. #define C_GRID_V    0x0841
    
43. #define C_AXIS      0x3186
    
44. #define C_TEXT      0xFFFF
    
45. #define C_DIM       0x8410
    
46. #define C_LABEL     0xAD55
    
47. #define VOLTAGE_COLOR 0xFD20
    
48. #define CURRENT_COLOR 0x07EF
    
49. #define POWER_COLOR   0xF81F
    
50. #define BACKGROUND  C_BG
    
51. #define TEXT_COLOR  C_TEXT
    
52. #define AXIS_COLOR  C_AXIS
    
53. #define PANEL_COLOR C_PANEL
    
54. 
    
55. // -------------------------- 函数声明 --------------------------
    
56. void showSplashScreen();
    
57. void drawStaticUI();
    
58. void drawAxes();
    
59. void drawPanelStaticText();
    
60. void drawLegend();
    
61. void updateUI(float voltage, float current, float power);
    
62. void updatePanelValues(float voltage, float current, float power);
    
63. void plxDaqInit();
    
64. void plxDaqSend(float voltage, float current, float power);
    

复制代码

        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