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基于INA219与单片机的能耗分析系统

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简介

毕设是由INA219 进行能耗的采样并由 STM32 单片机进行分析的系统,此处仅展示硬件部分的设计。做毕设时参考了不少立创平台大佬的设计,故也分享自己的板子(p.s.:知识产权属于上海大学)

简介:毕设是由INA219 进行能耗的采样并由 STM32 单片机进行分析的系统,此处仅展示硬件部分的设计。做毕设时参考了不少立创平台大佬的设计,故也分享自己的板子(p.s.:知识产权属于上海大学)

开源协议

GPL 3.0

创建时间:2024-04-16 05:39:51更新时间:2024-07-03 01:42:40

描述

题目要求

基于INA219与单片机的能耗分析系统

题目分析

常见的能耗分析方法主要分为基于建模的能耗分析和基于测量的能耗分析两种,前者指的是通过建立待测系统的功率模型以估计其能耗等级,从而进行分析;后者使用传感器或功率计对运行中的负载电路进行测量,以获取实际物理信号和数值,因而具有更高的准确性。笔者设计了一种使用 INA219 传感器进行能耗数据的采样并由 STM32 单片机进行分析的系统,适用于各类接口供电的负载电路。系统按照功能可以划分为能耗采集模块、能耗分析模块、通信模块以及屏幕显示模块。其中能耗采集模块的功能是测量负载电路的物理信号并转换为可计算的数据,该模块使用带 I2C 接口的零漂移双向电流/功率传感器 INA219。能耗分析模块使用较高性能的 STM32 系列单片机对采集得到的数据进行接收与分析。通信模块通过软件模拟 I2C 通信的方式使得单片机可以配置 INA219 并接收采样数据。屏幕显示模块通过 TFTLCD 屏幕向用户展示采样数据、分析结果、能耗折线统计图和异常报警的界面。

总体设计方案框图

屏幕截图 2024-07-02 073220.png

原理图设计说明

本系统中能耗分析模块使用的是STM32F103ZET6,直接采用正点原子的战舰开发版,因此无需进行PCB的设计;而能耗采样模块需要集成INA219传感器以及PCIEx1的金手指、插槽,因此设计转接卡的原理图和PCB。 转接卡上最重要的是三枚INA219,分别测量+12V,+3.3V以及+3.3Vaux三路的功率。由于PCIE供电协议中有5路+12V,合计最大5.5A的大电流,因此我通过公式计算得出应为测量+12V电路的INA219配置50mΩ的分流电阻,为其他两枚INA219配置100mΩ的分流电阻。此外,从开源平台获取了PCIEx1金手指的封装,再加上EDA内部提供的PCIE插槽和引脚插座的的封装,就可以做出转接卡的原理图了:

原理图.png

PCB设计说明

设计完成原理图后,直接在立创EDA中通过DRC检查后生成PCB文件,然后按照规则进行布局和布线即可。布局时注意相似相近原则,布线时尤其需要注意差分对设计规则(PCIE协议中存在多个差分对),包括差分对的长度差距、线宽等等。布局布线并铺铜后再次进行DRC检查,无误后下单打样即可,立创EDA的项目嘉立创可以免费打样!

PCB.png

软件说明

依照系统的组成框图,软件部分主要实现了采样数据的读取、转接卡与单片机的I2C通信、能耗数据(包括功率的平均值、极值、标准差)的计算、文字与折线统计图的屏幕显示四部分功能。由于代码文件较多,这里就不一一介绍了。有缘人若看到这里,需要参考详细的项目代码,可以直接下载附件.zip,软件的代码文件和硬件的工程文件、制板文件与BOM表均有保留。

实物展示说明

附上打样完成后的板子:

毕设转接卡.jpg
实际工作时,转接卡上需要插上PCIEx1的负载(本次毕设采用无线网卡),转接卡的PCIE金手指则插入机箱的插槽中,开机后即可正常启动网卡并采集能耗数据了。

微信图片_20240702170921.jpg
再将转接卡上的四个引脚(VCC、GND、SDA、SCL)分别与STM32单片机开发板上定义的+5V、GND、I2C协议的SDA、SCL引脚相连接(采用软件模拟I2C的方式,因此需要连接单片机的GPIOA5号、6号引脚),并将项目代码烧录到单片机,即可在开发板的LCD屏幕上看到系统显示的三种界面了。下面展示转接卡工作时的图片:

微信图片_20240702170930.jpg

演示视频

本系统的三种显示界面以及异常报警界面的演示视频已上传至附件,欢迎观看!

其它附件上传

暂无

写在最后

人生命运常有意想不到的转折,笔者毕业后将从事市场类岗位,但仍然有技术情怀,仍然期待着有朝一日依靠技术赋能职业道路。今天将毕业设计的工程发在这里,一方面是因为写毕设时曾经参考过大家的开源作品,饮水思源;另一方面是对于自己大学四年的学习作个交代,时时刻刻勉励自己是可以独立完成软硬件的设计的人,往后职业生涯中应当加倍努力学习和理解技术,不要丢掉技术。勿忘来时路,迈步从头越!行文至此,心中五味杂陈,以此作结且与诸君共勉。

设计图

未生成预览图,请在编辑器重新保存一次

BOM

暂无BOM

附件

序号文件名称下载次数
1
三种显示界面.mp4
0
2
附件.zip
24
3
断路检测 (2).mp4
1
4
波动性异常报警.mp4
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