无线高压直流功率计

感谢星火计划的大力支持!!

项目简介

本项目是基于STM32F103VET6的功率计,初衷是适用于大学生方程式赛车,方便练车时获取功率和能耗而设计的.同时该项目也可以集成到任何电动汽车的BMS中,作为测量电流电压功率功耗的模块(CSU).
项目基于Freertos+HAL库,同时提供标准库驱动.

项目功能

实时监测直流电流(低端电流检测),电压,计算功率,功耗
通过SD卡保存每次实验的电流,电压,功率,功耗值.便于后期分析(csv格式便于电脑分析)
通过4G模块向ONENET云平台每隔500ms发送一次数据,配合云平台的实时曲线功能实现方便的监控,同时提供上位机支持导出表格和图片数据.

项目参数

本设计采用ADS131M04芯片实现对总压和电流的测量.因为电阻的精度有限,故在程序中每次上电零位自校准.得益于ADS131M04的优异性能,实测电压精度电流精度均能做到±0.5%及更高.开启全局斩波模式可以消除ADC自身长期积累的误差.
高压分压电阻 $\frac{10k}{2M*3+10k}$ ,通道可测量的最大电压为±1.2V,故电压检测范围为 $±1.2V \times \frac{2M*3+10k}{10k}=±721.2V$
本设计采用0.1毫欧的车用分流器(外置,产品来自开步睿思),配合NTC进行阻值补偿与拟合来提高精度.电流测量通道量程为18.75mv,故电流检测范围为 $±18.75 \div 0.1 = ±187.5A$
本设计使用4GDTU模块(来自正点原子)，通过MQTT协议与ONENET通信.使用了ONENET的下行(属性设置)来控制能量计端发送数据,从而节省功耗避免无意义的时常发送.上行发送时每500ms一次.
ps:注意实际测试时,需要发送好几次才能返回succ,具体原因未知.
选用DS1302实现日期的获取,作为SD卡保存文件的文件名
采用SDIO+DMA+Fatfs文件系统,使得SD卡保存的文件可以在电脑中分析
选用隔离通信模块将低压区和高压区隔离.隔离电压1KV.同时隔离区爬电距离满足赛事规定的20mm间距,引脚间做不到的使用开槽处理
选用JSM的CAN收发器:便于传给车辆数采端ECU端等等进行下一步开发.如果作为CSU使用,建议换一个隔离CAN模块.
所有接插件都选用插拔式,便于接线和调试
由于ONENET自带的曲线显示时间间隔无法做到很小,因此显示效果不是很好.所以使用QT开发一个上位机,100ms获取一次,通过ONENET平台的API来获取实时数据,绘制曲线图,支持导出表格以及曲线图.
使用FreeRTOS方便地管理不同间隔时间运行不同任务,以及任务间的通信

硬件设计上基本遵循ADS131M04的数据手册以及官方评估板,遇到的调试问题及解决办法如下,因为该芯片较为冷门,所以写到这里供大家参考:
1.SPI无法正常通信或者通信不稳定,每次读回来的值都不一样:注意RESET引脚不使用时要置高.
2.SPI写入配置读入配置都没有问题,DRDY一直不工作: CAP引脚的220nf虚焊或损坏.
3.测出来的值与万用表读出来的差别很大,甚至超量程:检查低通滤波的电容电阻和分流电阻是否良好接地,避免虚焊.
4.电流明明很稳定,但是读数上下浮动怎么办:该情况常见于稳压源测试,因为分流器电压是mv级别变化的,芯片供电电流经过的路径产生的压降不能忽略,所以需要将分流器负端与PCB的模拟地共地作为ADC芯片参考地.
实车测试时分流器的负端就是总压负极,所以几乎不会出现这种情况,这也是为什么很多成品测电压只有一根线,因为他们内部PCB通过单独从分流器负极引线作为参考地