Datenerfassungs- und Datenvisualisierungssystem für ein MotoStudent Elektro-Rennrad - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:18

Ein Datenerfassungssystem ist eine Sammlung von Hard- und Software, die zusammenarbeiten, um Daten von externen Sensoren zu sammeln, zu speichern und anschließend zu verarbeiten, damit sie grafisch visualisiert und analysiert werden können, damit die Ingenieure die notwendigen Anpassungen vornehmen können, um die beste Leistung zu erzielen des Fahrzeugs oder Geräts.

Das Datenerfassungssystem arbeitet mit einem Datenvisualisierungssystem zusammen, das es dem Piloten ermöglicht, die relevanten Echtzeitdaten für die Fahrt zu sehen. Es besteht aus einem HMI-Bildschirm, der mit dem Datenerfassungssystem kommuniziert, um Daten davon abzurufen und anzuzeigen.

Dieses System kommuniziert mit der ECU (Engine Control Unit) des Fahrrads und empfängt von diesem interne Informationen und Motorvariablen über den CAN-Bus. Es verwendet einen USB zur Speicherung der empfangenen Daten sowie der Daten, die von den an das Datenerfassungssystem angeschlossenen Sensoren abgerufen werden.

Lieferungen

Mikrocontroller Texas Instruments F28069M C2000

Launchpad

Nextion Enhanced 5.0-Zoll-Bildschirm

PC mit Matlab-Software

GPS GY-GPS6MV2

AIM-Aufhängungssensor

Beschleunigungsmesser VMA204

Tastenfeld

USB

Induktiver Sensor IME18-08BPSZC0S

Spannungsregler LMR23615DRRR

Spannungsregler LM25085AMY/NOPB

Spannungsregler MAX16903SAUE50 x2

Temperatursensor pt100

5-103669-9 Stecker x1

5-103639-3 Stecker x1

5-103669-1 Stecker x1

LEDCHIP-LED0603 x2

FDD5614P Mosfet

TPS2051BDBVR Netzschalter

MicroUSB_AB-Adapter

SBRD10200TR Diode

Widerstand 1K Ohm x5

Widerstand 10K Ohm

Widerstand 100 Ohm x1

Widerstand 100k Ohm x7

Widerstand 51K Ohm

Widerstand 22, 1 K Ohm x2

Widerstand 6 Kohm x2

Widerstand 6K8 Ohm x2

Widerstand 2,55K Ohm

Widerstand 38,3K Ohm x1

Widerstand 390 Ohm x1

Widerstand 20K Ohm x2

Widerstand 33K Ohm x2

Kondensator 15 uF x5

Kondensator 10 uF x3

Kondensator 4.7uF x4

Kondensator 47uF x2

Kondensator 68uF

Kondensator 0.1uF x1

Kondensator 1nF x1

Kondensator 100nf x1

Kondensator 470nF x1

Kondensator 2.2uF x2

Kondensator 220 uf x1

Kondensator 100uF x1

Induktivität 22uH x1

Induktor 4.5uH x1

Induktivität 4.7uH x1

Induktor 3.3uHx1

Instrumentalverstärker AD620

2-poliger Header x3

4-poliger Header x6

5-poliger Header x3

Schritt 1: Mikrocontroller Texas Instruments F28069M C2000 Launchpad

Dieser Mikrocontroller ist in ein Entwicklungsboard eingebettet, dessen Eigenschaften ihn für die Entwicklung von Anwendungen wie dem Datenerfassungssystem und dem Steuergerät geeignet machen:

- USB-Debugging- und Programmierschnittstelle

- CAN-Bus-Schnittstelle mit integriertem Transceiver

- 14 ADC-Pins (Analog-Digital-Wandler)

- 34 GPIO-Pins (General Purpose Input/Output)

- 2 Kommunikationskanäle mit seriellem Protokoll (SCI)

- 2 I2C-Protokoll-Kommunikationskanäle

- Programmierung mit der kostenlosen Software Code Composer Studio

Es verwaltet die externen Sensoren, das GPS, die Speicherung der Daten im USB, die Kommunikation mit der ECU und die Kommunikation mit dem Bildschirm des Armaturenbretts.

Schritt 2: PC mit Matlab-Software

Die Matlab-Software wird verwendet, um die auf dem USB gespeicherten Daten zu verarbeiten und zu analysieren. Die Position und die Flugbahn des Fahrrads können zusammen mit dem Wert der Sensoren gleichzeitig visualisiert werden, wie auf dem Bild zu sehen ist.

Schritt 3: Nextion Enhanced 5.0''-Bildschirm

Es wird verwendet, um dem Piloten die wichtigsten Informationen sowie den Status der Fahrradsysteme anzuzeigen. Er empfängt die Daten vom Mikrocontroller F28069M C2000 über eine serielle Kommunikation.

Schritt 4: GPS GY-GPS6MV2

Das GPS erhält die aktuelle Position des Fahrrads, sodass seine Trajektorie zusammen mit den Werten der anderen Sensoren anschließend in der Matlab-Software aufgezeichnet werden kann. Er sendet die GPS-Daten per serieller Kommunikation an den Mikrocontroller F28069M C2000.

Schritt 5: AIM-Aufhängungssensor

An der Vorder- und Hinterradaufhängung montiert, kann der Federweg des Fahrrads gemessen werden.

Schritt 6: Beschleunigungsmesser VMA204

Es wird verwendet, um die Beschleunigung und die Kräfte zu messen, denen das Fahrrad in den Achsen x, y und z standhält. Er sendet die Beschleunigungsdaten über die I2C-Bus-Kommunikation an den Mikrocontroller F28069M C2000.

Schritt 7: Tastatur

Über die Tastatur werden der Fahrmodus (ECO, Sport) ausgewählt, der Pilotenbildschirm konfiguriert und die Datenerfassungszeiten gesteuert.

Schritt 8: USB

Es speichert die Daten der Sensoren, des GPS und der ECU.

Schritt 9: Induktiver Sensor IME18-08BPSZC0S

Es wird verwendet, um die Impulse eines magnetischen Teils des Rades zu zählen. Je höher die Geschwindigkeit, desto mehr Umdrehungen machen die Räder und desto mehr Impulse zählt der induktive Sensor. So funktioniert die Messung der Geschwindigkeit.

Der Anschlussplan ist auf dem Bild dargestellt.

Schritt 10: Temperatursensor Pt100

Die pt100-Sensoren sind eine spezielle Art von Temperaturdetektoren. Es variiert seinen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur. Das wichtigste Merkmal ist, dass es aus Platin besteht und einen elektrischen Widerstand von 100 Ohm bei 0 °C hat.

Schritt 11: Spannungsregler

Das System benötigt 4 verschiedene Spannungsregler, um die für den Mikrocontroller und die Sensoren benötigten Spannungspegel zu erhalten:

LMR23615DRRR

Es ist in der Lage, von einer Weitspannungsversorgung auf eine feste Ausgangsspannung umzuwandeln. Für diese Anwendung benötigen wir es, um den Mikrocontroller F28069M C2000 von Texas Instruments mit 3,3 V zu versorgen.

LM25085AMY/NOPB

Es ist in der Lage, von einer Weitspannungsversorgung auf eine feste Ausgangsspannung umzuwandeln. Für diese Anwendung benötigen wir es, um den Mikrocontroller F28069M C2000 von Texas Instruments mit 5 V zu versorgen.

MAX16903SAUE50

Es ist in der Lage, von einer Weitspannungsversorgung auf eine feste Ausgangsspannung umzuwandeln. Für diese Anwendung benötigen wir 2 davon:

Einer, um 5 V an die externen Sensoren zu liefern, die eine solche Spannung benötigen.

Der andere versorgt externe Sensoren mit 3,3 V, die eine solche Spannung benötigen.

Schritt 12: FDD5614P Mosfet

Ein Mosfet ist ein Halbleiterbauelement, das einem Transistor ähnelt, der zum Kommutieren von Signalen verwendet wird.

Schritt 13: TPS2051BDBVR Netzschalter

Dieses Bauteil dient zur Vermeidung von Kurzschlüssen. Wenn die Ausgangslast die Strombegrenzungsschwelle überschreitet oder ein Kurzschluss vorliegt, begrenzt das Gerät den Ausgangsstrom durch Umschalten in einen Konstantstrommodus auf ein sicheres Niveau. Wenn die Überlastung nicht aufhört, unterbricht sie die Versorgungsspannung.

Schritt 14: LEDs und Dioden

LEDs werden verwendet, um zu visualisieren, ob das System mit Strom versorgt wird oder nicht. Sie sorgen auch dafür, dass der Strom nur in eine Richtung fließt, wodurch eine falsche Polarisation des Stromkreises verhindert wird.

Dioden funktionieren als LED, aber ohne Licht; Sie lassen den Strom nur in eine Richtung fließen und verhindern so eine falsche Polarisation des Stromkreises.

Schritt 15: Steckverbinder, Stiftleisten und Adapter

Die PDB-Platine erfordert eine bestimmte Anzahl von Anschlüssen, Stiftleisten und Adaptern mit unterschiedlichen Eigenschaften, um mit den verschiedenen Peripheriegeräten zu funktionieren und zu integrieren. Die verwendeten Einheiten sind die folgenden:

5-103639-3

5-103669-9

5-103669-1

MicroUSB_AB

Schritt 16: Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten

Die Grundlagen für jede elektronische Schaltung

Schritt 17: Schematischer Aufbau der Platine: Externe Anschlüsse für Stromversorgung und CAN-Kommunikation

Schritt 18: Schemadesign der Platine: Mikrocontroller Texas Instruments F28069M C2000 Launchpad

Mit:

- Sensoranschluss über unterschiedlich große Stiftleisten für analoge und digitale Eingänge

- Signalkonditionierung für die Sensoren:

o Tiefpassfilter zum Verhindern elektromagnetischer Störungen, die die Signale stören. Die Grenzfrequenz beträgt 15 Hz.

o Wheatstone-Brücke und ein Instrumentenverstärker für die korrekte Funktion des pt100-Temperatursensors

- Kommunikationspins für externe Geräte:

o SCI für den Bildschirm und das GPS

o I2C für den Beschleunigungsmesser

Schritt 19: Schematischer Aufbau der Platine: Stromversorgung des Mikrocontrollers

Über Spannungsregler, die 24V (Niederspannung aus der Batterie) in 3,3V (LMR23615DRRR) und 5V (LM25085AMY/NOPB) umwandeln

Schritt 20: Schematische Gestaltung der Platine: USB-Anschluss

Schritt 21: Schematischer Aufbau der Platine: Stromversorgung der Sensoren und externen Geräte

Über Spannungsregler (MAX16903SAUE50), die

wandeln 24V (Niederspannung von der Batterie) in 3,3V und 5V um. Das System ist redundant und kann den Mikrocontroller auch mit Strom versorgen, falls dessen Spannungsregler ausfällt.

Schritt 22: Entwerfen Sie die PCB-Platine

1) Stromversorgung für den Mikrocontroller

2) Mikrocontroller Texas Instruments F28069M C2000 Launchpad

3) Digitale und analoge Eingänge und Signalfilterung (3.1)

4) USB-Verbindung

5) Stiftleisten für externe Geräte

6) pt100 Temperatursensor Signalkonditionierung

7) Stromversorgung der Sensoren und externen Geräte

Schritt 23: Bestellen Sie die Platine

Wenn das Design abgeschlossen ist, ist es an der Zeit, die Leiterplatte im Web JLCPCB.com zu bestellen. Der Vorgang ist einfach, da Sie nur zu JLCPCB.com gehen müssen, die Abmessungen und Schichten Ihrer Leiterplatte hinzufügen und auf die Schaltfläche JETZT QUOTE klicken.

JLCPCB ist auch Sponsor dieses Projekts. JLCPCB (ShenzhenJLC Electronics Co., Ltd.) ist das größte Unternehmen für PCB-Prototypen in China und ein High-Tech-Hersteller, der sich auf die schnelle Herstellung von PCB-Prototypen und PCB-Kleinserien spezialisiert hat. Sie können mindestens 5 Leiterplatten für nur 2 US-Dollar bestellen.

Sie müssen die Gerber-Dateien Ihres Projekts generieren und in eine ZIP-Datei packen. Durch Klicken auf die Schaltfläche „Ihre Gerberdatei hinzufügen“wird das Design ins Web hochgeladen. Die Abmessungen und andere Merkmale können in diesem Abschnitt noch geändert werden.

Beim Hochladen überprüft JLCPCB, ob alles korrekt ist und zeigt eine vorherige Visualisierung beider Seiten des Boards.

Nachdem wir sichergestellt haben, dass die Platine gut aussieht, können wir jetzt die Bestellung zu einem vernünftigen Preis aufgeben, indem wir auf die Schaltfläche „In den Warenkorb“klicken.