Data-acquisitie en datavisualisatiesysteem voor een MotoStudent elektrische racefiets - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Een data-acquisitiesysteem is een verzameling hardware en software die samenwerken om gegevens van externe sensoren te verzamelen, op te slaan en daarna te verwerken, zodat ze grafisch kunnen worden gevisualiseerd en geanalyseerd, zodat de ingenieurs de nodige aanpassingen kunnen maken om de beste prestaties te verkrijgen van het voertuig of apparaat.

Het data-acquisitiesysteem werkt samen met een datavisualisatiesysteem waarmee de piloot de relevante realtime gegevens voor het rijden kan zien. Het bestaat uit een HMI-scherm dat communiceert met het data-acquisitiesysteem om er gegevens uit op te halen en weer te geven.

Dit systeem communiceert met de ECU (Engine Control Unit) van de fiets en ontvangt via de CAN-bus interne informatie en motorvariabelen. Het maakt gebruik van een USB voor de opslag van de ontvangen gegevens en de gegevens die zijn opgehaald van de sensoren die zijn aangesloten op het data-acquisitiesysteem.

Benodigdheden

Microcontroller Texas Instruments F28069M C2000

Lanceerplatform

Nextion Enhanced 5.0'' scherm

PC met Matlab-software

GPS GY-GPS6MV2

AIM-ophangingssensor

Versnellingsmeter VMA204

Toetsenbord

USB

Inductieve sensor IME18-08BPSZC0S

Spanningsregelaar LMR23615DRRR

Spanningsregelaar LM25085AMY/NOPB

Spanningsregelaar MAX16903SAUE50 x2

Temperatuursensor pt100

5-103669-9-connector x1

5-103639-3 connector x1

5-103669-1-connector x1

LEDCHIP-LED0603 x2

FDD5614P Mosfet

TPS2051BDBVR Aan/uit-schakelaar

MicroUSB_AB-adapter

SBRD10200TR-diode

Weerstand 1K Ohm x5

Weerstand 10K Ohm

Weerstand 100 Ohm x1

Weerstand 100k Ohm x7

Weerstand 51K Ohm

Weerstand 22, 1 K Ohm x2

Weerstand 6 Kohm x2

Weerstand 6K8 Ohm x2

Weerstand 2.55K Ohm

Weerstand 38,3K Ohm x1

Weerstand 390 Ohm x1

Weerstand 20K Ohm x2

weerstand 33K Ohm x2

Condensator 15 uF x5

Condensator 10 uF x3

Condensator 4.7uF x4

Condensator 47uF x2

Condensator 68uF

Condensator 0.1uF x1

Condensator 1nF x1

Condensator 100nf x1

Condensator 470nF x1

Condensator 2.2uF x2

Condensator 220 uf x1

Condensator 100uF x1

Spoel 22uH x1

Spoel 4.5uH x1

Spoel 4.7uH x1

Spoel 3.3uHx1

Instrumentale versterker AD620

2-pins kop x3

4-pins kop x6

5-pins kop x3

Stap 1: Microcontroller Texas Instruments F28069M C2000 Launchpad

Deze microcontroller is ingebed in een ontwikkelbord waarvan de eigenschappen hem geschikt maken voor het ontwikkelen van toepassingen zoals het data-acquisitiesysteem en de ECU:

- USB-foutopsporing en programmeerinterface

- CAN-businterface met geïntegreerde transceiver

- 14 ADC-pinnen (analoog naar digitaal converters)

- 34 GPIO-pinnen (invoer/uitvoer voor algemeen gebruik)

- 2 seriële protocol (SCI) communicatiekanalen

- 2 I2C-protocolcommunicatiekanalen

- Programmeren met de gratis software Code Composer Studio

Het beheert de externe sensoren, de GPS, de opslag van de gegevens in de USB, de communicatie met de ECU en de communicatie met het dashboardscherm.

Stap 2: pc met Matlab-software

Matlab-software wordt gebruikt om de gegevens die op de USB zijn opgeslagen te verwerken en te analyseren. De positie en het traject van de fiets kunnen samen met de waarde van de sensoren gelijktijdig worden gevisualiseerd, zoals te zien is op de afbeelding.

Stap 3: Nextion Enhanced 5.0 '' scherm

Het wordt gebruikt om de meest relevante informatie aan de piloot te tonen, evenals de status van de fietssystemen. Het ontvangt de gegevens van de F28069M C2000-microcontroller via seriële communicatie.

Stap 4: GPS GY-GPS6MV2

De GPS krijgt de directe positie van de fiets, zodat het traject achteraf in Matlab-software kan worden uitgezet, samen met de waarden van de andere sensoren. Het stuurt de GPS-gegevens naar de F28069M C2000-microcontroller via seriële communicatie.

Stap 5: AIM Suspension Sensor

Geïnstalleerd op de voor- en achtervering, kan de verplaatsing van de vering van de fiets worden gemeten.

Stap 6: Versnellingsmeter VMA204

Het wordt gebruikt om de versnelling en krachten te meten die de fiets kan weerstaan in de assen x, y en z. Het stuurt de acceleratiegegevens naar de F28069M C2000-microcontroller via I2C-buscommunicatie.

Stap 7: Toetsenbord

Het toetsenbord wordt gebruikt om de rijmodus (ECO, Sport) te selecteren, het scherm van de piloot te configureren en de data-acquisitietijden te regelen.

Stap 8: USB

Het slaat de gegevens van de sensoren, de GPS en de ECU op.

Stap 9: Inductieve sensor IME18-08BPSZC0S

Het wordt gebruikt om de pulsen van een magnetisch deel van het wiel te tellen. Hoe hoger de snelheid, hoe meer omwentelingen de wielen zullen maken en hoe meer pulsen de inductieve sensor zal tellen. Zo werkt het meten van de snelheid.

Het aansluitschema wordt getoond op de afbeelding.

Stap 10: Temperatuursensor Pt100

De pt100-sensoren zijn een specifiek type temperatuurdetectoren. Het varieert zijn weerstand afhankelijk van de temperatuur. Het belangrijkste kenmerk is dat het is samengesteld uit platina en een elektrische weerstand heeft van 100 Ohm bij 0ºC.

Stap 11: Spanningsregelaars

Het systeem heeft 4 verschillende spanningsregelaars nodig om de spanningsniveaus te verkrijgen die nodig zijn voor de microcontroller en de sensoren:

LMR23615DRRR

Het is in staat om een voeding met een breed spanningsbereik om te zetten naar een vaste uitgangsspanning. Voor deze toepassing hebben we deze nodig om 3,3 V te leveren aan de Texas Instruments F28069M C2000-microcontroller.

LM25085AMY/NOPB

Het is in staat om een voeding met een breed spanningsbereik om te zetten naar een vaste uitgangsspanning. Voor deze toepassing hebben we deze nodig om 5 V te leveren aan de Texas Instruments F28069M C2000-microcontroller.

MAX16903SAUE50

Het is in staat om een voeding met een breed spanningsbereik om te zetten naar een vaste uitgangsspanning. Voor deze toepassing hebben we er 2 nodig:

Eén om 5 V te leveren aan de externe sensoren die een dergelijke spanning nodig hebben.

De andere om 3,3 V te leveren aan de externe sensoren die een dergelijke spanning nodig hebben.

Stap 12: FDD5614P Mosfet

Een mosfet is een halfgeleiderapparaat vergelijkbaar met een transistor die wordt gebruikt om signalen om te zetten.

Stap 13: TPS2051BDBVR Aan/uit-schakelaar

Dit onderdeel wordt gebruikt om kortsluiting te voorkomen. Wanneer de uitgangsbelasting de stroomlimietdrempel overschrijdt of er een kortsluiting is, begrenst het apparaat de uitgangsstroom tot een veilig niveau door over te schakelen naar een constante stroommodus. Als de overbelasting niet stopt, wordt de voedingsspanning onderbroken.

Stap 14: LED's en diodes

LED's worden gebruikt om te visualiseren of het systeem stroom heeft of niet. Ze houden ook de stroom in slechts één richting, waardoor de verkeerde polarisatie van het circuit wordt voorkomen.

Diodes werken als een LED maar zonder het licht; ze houden de stroom in slechts één richting, waardoor de verkeerde polarisatie van het circuit wordt voorkomen.

Stap 15: Connectoren, Pin Headers en Adapters

Het PDB-bord vereist een bepaald aantal connectoren, pin-headers en adapters met verschillende kenmerken om te werken en te integreren met de verschillende randapparatuur. De gebruikte eenheden zijn de volgende:

5-103639-3

5-103669-9

5-103669-1

MicroUSB_AB

Stap 16: Weerstanden, condensatoren, smoorspoelen

De basis voor elk elektronisch circuit

Stap 17: Schematisch ontwerp van het bord: externe connectoren voor voeding en CAN-communicatie

Stap 18: Schematisch ontwerp van het bord: Microcontroller Texas Instruments F28069M C2000 Launchpad

Met:

- Sensoraansluiting, via pin-headers van verschillende groottes voor analoge en digitale ingangen

- Signaalconditionering voor de sensoren:

o Laagdoorlaatfilters om te voorkomen dat elektromagnetische interferentie de signalen verstoort. De afsnijfrequentie is 15 Hz.

o Wheatstone-brug en een instrumentele versterker om de pt100-temperatuursensor correct te laten werken

- Communicatiepinnen voor externe apparaten:

o SCI voor het scherm en de GPS

o I2C voor de versnellingsmeter

Stap 19: Schematisch ontwerp van het bord: voeding naar de microcontroller

Via spanningsregelaars, die 24V (laagspanning afkomstig van de batterij) omzetten naar 3,3V (LMR23615DRRR) en 5V (LM25085AMY/NOPB)

Stap 20: Schematisch ontwerp van het bord: USB-aansluiting

Stap 21: Schematisch ontwerp van het bord: voeding naar de sensoren en externe apparaten

Via spanningsregelaars (MAX16903SAUE50), die:

zet 24V (laagspanning afkomstig van de batterij) om naar 3,3V en 5V. Het systeem is redundant en kan ook stroom leveren aan de microcontroller in het geval dat de spanningsregelaar uitvalt.

Stap 22: Ontwerp de printplaat

1) Voeding voor de microcontroller

2) Microcontroller Texas Instruments F28069M C2000-startpunt

3) Digitale en analoge ingangen en signaalfiltering (3.1)

4) USB-aansluiting

5) Pin-headers voor externe apparaten

6) pt100 temperatuursensor signaal conditionering

7) Voeding voor de sensoren en externe apparaten

Stap 23: Bestel de printplaat

Nu het ontwerp is voltooid, is het tijd om de PCB te bestellen op het web JLCPCB.com. Het proces is eenvoudig, je hoeft alleen maar naar JLCPCB.com te gaan, de afmetingen en lagen van je printplaat toe te voegen en op de QUOTE NOW-knop te klikken.

JLCPCB is ook sponsor van dit project. JLCPCB (ShenzhenJLC Electronics Co., Ltd.), is de grootste onderneming voor PCB-prototypes in China en een hightechfabrikant die gespecialiseerd is in snelle PCB-prototypes en PCB-productie in kleine batches. U kunt minimaal 5 PCB's bestellen voor slechts $ 2.

U moet de gerber-bestanden van uw project genereren en in een ZIP-bestand plaatsen. Door op de knop "voeg uw gerber-bestand toe" te klikken, wordt het ontwerp geüpload naar het web. De afmetingen en andere kenmerken kunnen in dit gedeelte nog worden gewijzigd.

Bij het uploaden zal JLCPCB controleren of alles correct is en een eerdere visualisatie van beide zijden van het bord tonen.

Nadat we ervoor hebben gezorgd dat de print er goed uitziet, kunnen we de bestelling nu tegen een redelijke prijs plaatsen door op de knop "Opslaan in winkelwagen" te klikken.