Sistema di acquisizione e visualizzazione dati per una bici da corsa elettrica MotoStudent: 23 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Un sistema di acquisizione dati è un insieme di hardware e software che lavorano insieme per raccogliere dati da sensori esterni, archiviarli ed elaborarli successivamente in modo che possano essere visualizzati graficamente e analizzati, consentendo agli ingegneri di apportare le modifiche necessarie per ottenere le migliori prestazioni del veicolo o del dispositivo.

Il Sistema di Acquisizione Dati lavora insieme ad un Sistema di Visualizzazione Dati che permette al pilota di vedere i dati rilevanti in tempo reale per la guida. Consiste in uno schermo HMI che comunica con il Sistema di Acquisizione Dati per recuperare e mostrare i dati da esso.

Questo Sistema comunica con la ECU (Engine Control Unit) della moto e riceve da essa informazioni interne e variabili del motore tramite CAN bus. Utilizza una USB per l'archiviazione dei dati ricevuti così come i dati recuperati dai sensori collegati al Sistema di Acquisizione Dati.

Forniture

Microcontrollore Texas Instruments F28069M C2000

Trampolino di lancio

Schermo Nextion Enhanced 5.0''

PC con software Matlab

GPS GY-GPS6MV2

Sensore sospensione AIM

Accelerometro VMA204

tastiera

USB

Sensore induttivo IME18-08BPSZC0S

Regolatore di tensione LMR23615DRRR

Regolatore di tensione LM25085AMY/NOPB

Regolatore di tensione MAX16903SAUE50 x2

Sensore di temperatura pt100

5-103669-9 connettore x1

5-103639-3 connettore x1

5-103669-1 connettore x1

LEDCHIP-LED0603 x2

FDD5614P Mosfet

Interruttore di alimentazione TPS2051BDBVR

Adattatore MicroUSB_AB

Diodo SBRD10200TR

Resistenza 1K Ohm x5

Resistenza 10K Ohm

Resistenza 100 Ohm x1

Resistenza 100k Ohm x7

Resistenza 51K Ohm

Resistenza 22, 1K Ohm x2

Resistenza 6 Kohm x2

Resistenza 6K8 Ohm x2

Resistore 2.55K Ohm

Resistenza 38,3K Ohm x1

Resistenza 390 Ohm x1

Resistenza 20K Ohm x2

resistenza 33K Ohm x2

Condensatore 15uF x5

Condensatore 10uF x3

Condensatore 4.7uF x4

Condensatore 47uF x2

Condensatore 68uF

Condensatore 0.1uF x1

Condensatore 1nF x1

Condensatore 100nf x1

Condensatore 470nF x1

Condensatore 2.2uF x2

Condensatore 220 uf x1

Condensatore 100uF x1

Induttore 22uH x1

Induttore 4.5uH x1

Induttore 4.7uH x1

Induttore 3.3uHx1

Amplificatore strumentale AD620

Intestazione a 2 pin x3

Intestazione a 4 pin x6

Intestazione a 5 pin x3

Passaggio 1: Launchpad del microcontrollore Texas Instruments F28069M C2000

Questo microcontrollore è integrato in una scheda di sviluppo le cui caratteristiche lo rendono adatto allo sviluppo di applicazioni come il Sistema di Acquisizione Dati e la ECU:

- Debug USB e interfaccia di programmazione

- Interfaccia CAN bus con ricetrasmettitore integrato

- 14 pin ADC (convertitori da analogico a digitale)

- 34 pin GPIO (ingresso/uscita per uso generico)

- 2 canali di comunicazione con protocollo seriale (SCI)

- 2 canali di comunicazione con protocollo I2C

- Programmazione con il software gratuito Code Composer Studio

Gestisce i sensori esterni, il GPS, la memorizzazione dei dati all'interno della USB, la comunicazione con la ECU e la comunicazione con lo schermo del cruscotto.

Passaggio 2: PC con software Matlab

Il software Matlab viene utilizzato per elaborare e analizzare i dati memorizzati nell'USB. La posizione e la traiettoria della bici possono essere visualizzate insieme al valore dei sensori, contemporaneamente, come si può vedere in foto.

Passaggio 3: schermo Nextion 5.0'' avanzato

Viene utilizzato per mostrare al pilota le informazioni più rilevanti, nonché lo stato dei sistemi della moto. Riceve i dati dal microcontrollore F28069M C2000 tramite comunicazione seriale.

Passaggio 4: GPS GY-GPS6MV2

Il GPS ottiene la posizione istantanea della bici, in modo che la sua traiettoria possa essere successivamente tracciata nel software Matlab insieme ai valori degli altri sensori. Invia i dati GPS al microcontrollore F28069M C2000 tramite comunicazione seriale.

Passaggio 5: sensore di sospensione AIM

Installato sulla sospensione anteriore e posteriore, è possibile misurare lo spostamento della sospensione della bici.

Passaggio 6: accelerometro VMA204

Viene utilizzato per misurare l'accelerazione e le forze sopportate dalla bici negli assi x, y e z. Invia i dati di accelerazione al microcontrollore F28069M C2000 tramite comunicazione bus I2C.

Passaggio 7: tastiera

La tastiera permette di selezionare la modalità di guida (ECO, Sport), configurare lo schermo del pilota e controllare i tempi di acquisizione dati.

Passaggio 8: USB

Memorizza i dati dei sensori, del GPS e della ECU.

Passaggio 9: sensore induttivo IME18-08BPSZC0S

Serve per contare gli impulsi di una parte magnetica della ruota. Maggiore è la velocità, più giri faranno le ruote e più impulsi conteranno il sensore induttivo. Ecco come funziona la misurazione della velocità.

Lo schema di collegamento è mostrato nell'immagine.

Passaggio 10: sensore di temperatura Pt100

I sensori pt100 sono un tipo specifico di rilevatori di temperatura. Varia la sua resistenza a seconda della temperatura. La caratteristica più importante è che è composto da platino e ha una resistenza elettrica di 100 Ohm a 0ºC.

Passaggio 11: regolatori di tensione

Il sistema necessita di 4 diversi regolatori di tensione per ottenere i livelli di tensione necessari per il microcontrollore e i sensori:

LMR23615DRRR

È in grado di convertire da un'ampia gamma di tensioni di alimentazione a una tensione di uscita fissa. Per questa applicazione, è necessario che fornisca 3,3 V al microcontrollore Texas Instruments F28069M C2000.

LM25085AMY/NOPB

È in grado di convertire da un'ampia gamma di tensioni di alimentazione a una tensione di uscita fissa. Per questa applicazione, è necessario che fornisca 5 V al microcontrollore Texas Instruments F28069M C2000.

MAX16903SAUE50

È in grado di convertire da un'ampia gamma di tensioni di alimentazione a una tensione di uscita fissa. Per questa applicazione, ne abbiamo bisogno 2:

Uno per fornire 5 V ai sensori esterni che richiedono tale tensione.

L'altro per fornire 3,3 V ai sensori esterni che richiedono tale tensione.

Passaggio 12: Mosfet FDD5614P

Un mosfet è un dispositivo a semiconduttore simile a un transistor utilizzato per commutare i segnali.

Passaggio 13: interruttore di alimentazione TPS2051BDBVR

Questo componente viene utilizzato per prevenire i cortocircuiti. Quando il carico di uscita supera la soglia del limite di corrente o è presente un cortocircuito, il dispositivo limita la corrente di uscita a un livello di sicurezza passando alla modalità a corrente costante. Se il sovraccarico non cessa, interrompe la tensione di alimentazione.

Passaggio 14: LED e diodi

I LED vengono utilizzati per visualizzare se il sistema è alimentato o meno. Inoltre mantengono la corrente che scorre in una sola direzione, impedendo la polarizzazione errata del circuito.

I diodi funzionano come un LED ma senza luce; mantengono la corrente in un solo senso, impedendo l'errata polarizzazione del circuito.

Passaggio 15: connettori, intestazioni pin e adattatori

La scheda PDB richiede una certa quantità di connettori, pin header e adattatori di caratteristiche diverse per poter funzionare e integrarsi con i diversi dispositivi periferici. Le unità utilizzate sono le seguenti:

5-103639-3

5-103669-9

5-103669-1

MicroUSB_AB

Passaggio 16: resistori, condensatori, induttori

Le basi per qualsiasi circuito elettronico

Passaggio 17: Progettazione schematica della scheda: connettori esterni per alimentazione e comunicazione CAN

Passaggio 18: Progettazione schematica della scheda: Launchpad del microcontrollore Texas Instruments F28069M C2000

Dotato di:

- Collegamento del sensore, tramite pin header di diverse dimensioni per ingressi analogici e digitali

- Condizionamento del segnale per i sensori:

o Filtri passa basso per evitare che interferenze elettromagnetiche disturbino i segnali. La frequenza di taglio è 15Hz.

o Ponte di Wheatstone e un amplificatore strumentale per il corretto funzionamento del sensore di temperatura pt100

- Pin di comunicazione per dispositivi esterni:

o SCI per lo schermo e il GPS

o I2C per l'accelerometro

Passaggio 19: Progettazione schematica della scheda: alimentazione del microcontrollore

Tramite regolatori di tensione, che convertono 24V (bassa tensione proveniente dalla batteria) a 3,3V (LMR23615DRRR) e 5V (LM25085AMY/NOPB)

Passaggio 20: progettazione schematica della scheda: connessione USB

Passo 21: Progettazione schematica della scheda: alimentazione dei sensori e dei dispositivi esterni

Tramite regolatori di tensione (MAX16903SAUE50), che

convertire 24V (bassa tensione proveniente dalla batteria) a 3.3V e 5V. Il sistema è ridondante e può anche fornire alimentazione al microcontrollore in caso di guasto del suo regolatore di tensione.

Passaggio 22: progettare la scheda PCB

1) Alimentazione per il microcontrollore

2) Launchpad del microcontrollore Texas Instruments F28069M C2000

3) Ingressi digitali e analogici e filtraggio del segnale (3.1)

4) Connessione USB

5) Intestazioni dei pin dei dispositivi esterni

6) condizionamento del segnale del sensore di temperatura pt100

7) Alimentazione per sensori e dispositivi esterni

Passaggio 23: ordinare la scheda PCB

Con il design completato, è il momento di ordinare il PCB nel web JLCPCB.com. Il processo è semplice, poiché devi solo andare su JLCPCB.com, aggiungere le dimensioni e gli strati della tua scheda PCB e fare clic sul pulsante QUOTE NOW.

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Una volta caricato, JLCPCB verificherà che tutto sia corretto e mostrerà una visualizzazione precedente di entrambi i lati della scheda.

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