Projeto e manufatura de placas de aquisição de dados Deixe um comentário

O que são placas de aquisição de dados?

Sistemas de aquisição de dados ou Sistemas DAQ (Data Acquisition) estão sendo utilizados cada vez mais ao passar do tempo, e para nós que desenvolvemos um carro de fórmula elétrico, conseguimos utilizar o Sistema DAQ de uma forma muito interessante através de placas de aquisição de dados.

Realmente é muito importante para uma equipe de fórmula elétrica possuir um domínio sobre as placas de aquisição de dados, já que em nosso veículo encontramos inúmeros dados e informações que são de suma importância para podermos extrair o máximo de desempenho do nosso protótipo. E graças a estas placas podemos encontrar uma solução para conseguir realizar a coleta e monitoramento dos dados necessários, que vão desde a temperatura dos discos de freio que encontramos no carro até a coleta dos valores da velocidade nos eixos X, Y e Z.

Como funcionam as placas de aquisição de dados?

Para entendermos melhor o funcionamento destas placas podemos dizer que existem dois tipos de componentes eletrônicos essenciais que precisam estar presentes, os sensores, que vão ser responsáveis pelo captura de determinado dado especificado, e um microcontrolador, que basicamente é um pequeno computador onde podemos programar e decidir os comandos que desejamos de acordo com o que desejamos.

O sensor consegue realizar a conversão de algum fenômeno físico e transformar essa informação em um sinal elétrico, depois o microcontrolador consegue transformar esse sinal analógico que vem do sensor em um sinal digital para que seu processador consiga armazenar e interpretar essa informação. Após esse processo, conseguimos com o auxílio de softwares, escrever a programação necessária para operarmos os dados adquiridos.

Temos uma vasta lista de sensores que utilizamos, o processo para escolhê-los varia entre a necessidade específica de coletar algum dado específico, a faixa em que o sensor trabalha e sua precisão. A seguir temos a Tabela 1 que nos mostra os sensores que utilizamos, localização e quantidade deles dentro do nosso sistema.

Nome Localização Quantidade
TPS Telemetria Frontal 2
Pressão de Freios Telemetria Frontal/Traseira 4
Ótico Rodas 4
Infravermelho Rodas 8
Acelerômetro Telemetria Frontal 1
GPS Telemetria Traseira 1
Hall Telemetria Traseira 1

Como as placas de aquisição são utilizadas no Cheetah-E?

Agora os dois microcontroladores que mais utilizamos em nossas placas de aquisição são: o STM-32 e o ESP-32. Em projetos passados dos anos anteriores, era utilizado apenas o Arduino como microcontrolador principal, mas alteramos por uma avaliação recebida durante a nossa competição, a FSAE, um juiz nos aconselhou que para o nosso projeto, precisávamos de um microcontrolador melhor, que não fosse tão amador. O feedback foi bem vindo e buscamos procurar micros compatíveis com nossa nova perspectiva de projeto.

Utilizamos o ESP-32 desde 2019, temos ele presente apenas na Telemetria Traseira, ele foi escolhido por ter um poder de armazenamento de processamento e um alto números de portas IO. Fora o ganho com o ganho com sistema dual core do ESP-32, assim conseguimos processar duas tarefas simultaneamente, então, enviar, ler e usar a comunicação CAN ficou muito mais viável e funcional.

O STM-32 foi uma escolha mais recente, a entrada dele se deu em 2021 e ele é nas Placas de Rodas e na Telemetria Frontal . Escolhemos pensando no seu custo benefício, número de portas IO, baixo consumo de energia (comparado com o ESP-32), sua compatibilidade com o CAN, um clock muito alto e também pelo seu pequeno tamanho, que é necessário para ir nas Placas de Rodas.

Dentro do protótipo do CE-21, que é o carro de fórmula elétrico desenvolvido pela nossa equipe (Cheetah E-Racing), encontramos 3 tipos de placas de aquisição de dados, sendo elas: Telemetria Frontal, Telemetria Traseira, Telemetria das Rodas. Cada placa possui sua própria função específica e é muito importante que elas capturem e repassem os dados.

Tabela das características elétricas das placas de aquisição

Nome Localização Tensão de Alimentação Corrente Nominal Potência Nominal
Telemetria Trasiera Caixa de Telemetria Traseira 12 V 1 A 12 W
Telemetria Frontal Atrás do Painel 12 V 1 A 12 W
Rodas Na manga 12 V 200mA 1 W

Projeto e Manufatura das Placas de Aquisição

Placa de Rodas

A Placa de Rodas é a placa que tem a responsabilidade de realizar a aquisição da temperatura dos discos de freios e calcular a rotação das rodas, ou seja, é uma placa muito importante para a equipe toda e principalmente para o pessoal da subequipe de freios, já que através dela podemos realizar a coleta desses dados e repassar para os nossos colegas poderem fazer os ajustes finais na linha de freios do nosso veículo.

Essa placa tem um tamanho de 30mm x 30mm, tendo 900 mm² de área e as conexões são feitas com um SUPERSEAL de 7 vias no chicote do nosso carro.

Tabela de conexões da Placa de rodas
Tabela de conexões da Placa de rodas

 

Esquemático Placa de Rodas
Esquemático Placa de Rodas

Os componentes presentes na placa foram fixados por uso de componentes SMD ou Through Hole. A seguir temos a lista de componentes utilizados nas 4 placas de rodas.

Tabela de componentes da Placa de Rodas

Nome Quantidade
Cristal Oscilador 8 MHz 4
Capacitor SMD 15 pF 8
Capacitor SMD 100 nF 20
Capacitor SMD 0.1 µF 8
Capacitor Tântalo 22. µF 8
Resistor SMD 10 KΩ 16
Resistor SMD 220 Ω 4
MLX90614 8
AMS1117-3.3 4
STM-32 4
TJA1040 4

Esquemático Placa de Rodas

Esquemático Placa de Rodas

A alimentação desta placa é feita através do regulador de tensão AMS1117 que transforma 5V em 3.3V. Todos os GNDs que estão na placa tem o mesmo referencial que os outros GNDs presentes no carro. Nesta placa temos o sensor Óptico e o Infravermelho de Temperatura. As conexões do STM-32 na placa de rodas são:

Pino GPIO Conexão Feita
PA10 Sensor de Rotação
PA11 CAN RX
PA12 CAN TX 
PB10 SCL Infravermelho
PB11 SDA Infravermelho

Telemetria Frontal

A placa de Telemetria Frontal opera com o microcontrolador STM-32, nessa placa é onde temos a maioria dos nossos sensores e sinais que vamos enviar para a placa de Telemetria Frontal, que depois manda para o nosso servidor. 

Essa placa tem um tamanho de 63,50 mm x 57,86 mm, tendo 3.674,11mm² de área e suas conexões são feitas através de um conector AMPSEAL de 23 vias na placa.

Tabela de conexões da Placa de Telemetria Frontal

Esquemático Placa de Telemetria Frontal

Os componentes presentes na placa foram fixados por uso de componentes SMD ou Through Hole. A seguir temos a lista de componentes utilizados na placa de Telemetria Frontal.

Tabela de componentes da Placa de Telemetria Frontal

Nome Quantidade
Cristal Oscilador 8 MHz 1
Capacitor SMD 15 pF 2
Capacitor SMD 100 nF 6
Capacitor SMD 330 nF 1
Capacitor Tântalo 10 µF 1
Capacitor Polarizado 10µF 25 V 1‘
Resistor SMD 200 KΩ (1%) 6
Resistor SMD 100 KΩ (1%) 7
Resistor SMD 12 KΩ (1%) 2
Resistor SMD 10 KΩ 1
Resistor SMD 1 KΩ 1
Diodo M7 1
AMPSEAL-23 1
BUCK MP1584 1
Diodo Zener SMD BZX84C 3
LM324D 2
AMS1117-3.3 1
STM-32 1
TJA1040 1
Esquemático Placa de Telemetria Frontal
Esquemático Placa de Telemetria Frontal

A alimentação desta placa é composta por dois reguladores de tensão que ficam na placa: um AMS1117, que transforma 5V em 3.3V e um Buck MP1584 para transformar a tensão de bateria de baixa (12 V) para 5V. Todos os GNDs que estão na placa, também, tem o mesmo referencial que os outros GNDs presentes no carro. Os dados monitorados que estão conectados diretamente na placa são: os TPS, 2 Sensores de Freios, BOTS, Inertia, Shutdown do Painel, Ready-to-Drive e o Botão do Brian. As conexões no STM-32 são:

Pino GPIO Conexão Feita
NRST Reset
PA1 Acelerador 1
PA2 Acelerador 2 
PA3 Sensor de Pressão de Freios
PA4 Sensor de Pressão de Freios
PA5 Entrada analógica extra
PA6 Entrada analógica extra
PA7 Inertia Switch
PA11 CAN RX
PA12 CAN TX
PB0 Brake Over Travel Switch
PB1 Shutdown Button
VSS GND Geral
VDD Regulador 3V3

Telemetria Traseira

A placa de Telemetria Traseira tem a função de coletar os dados das outras placas de aquisição e a partir dela, nós enviamos esses dados para o software de supervisão e tratamento de dados, o nosso Supervisório. Um módulo Rádio Xbee é utilizado para fazer o envio desses dados e a partir daí podemos começar o tratamento e a documentação de todas as informações importantes que coletamos. Nesta placa temos apenas o microcontrolador ESP-32.

Essa placa tem um tamanho de 60,94 mm x 83 mm, tendo 5.058,02mm² de área e suas conexões são feitas através de um conector AMPSEAL de 23 vias na placa.

Tabela de conexões da Placa de Telemetria Traseira
Tabela de conexões da Placa de Telemetria Traseira

Esquemático Placa de Telemetria Traseira

Os componentes presentes na placa foram fixados por uso de componentes SMD ou Through Hole. A seguir temos a lista de componentes utilizados na placa de Telemetria Frontal.

Tabela de componentes da Placa de Telemetria Traseira

Nome Quantidade
Cristal Oscilador 16 MHz 1
Capacitor SMD 22 pF 2
Capacitor SMD 100 nF 6
Capacitor Tântalo 10 µF 1
Resistor SMD 10 KΩ  11
Resistor SMD 3.9 KΩ  1
Resistor SMD 120 Ω 1
Resistor SMD 10 KΩ 1
Cristal Oscilador 1
GY-521 MPU6050 1
AMPSEAL-23 1
BUCK MP1584 1
Diodo Zener SMD BZX84C 3.3V 6
LM324D 2
AMS1117-3.3 1
MCP2515 1
ESP-32 1
TJA1040 1
XBEE – PRO 1
Esquemático Placa de Telemetria Traseira
Esquemático Placa de Telemetria Traseira

Nesta placa a alimentação é composta por um regulador de tensão do ESP-32 e dois reguladores de tensão que ficam na placa: um AMS1117 para transformar 5 V em 3.3 V e um Buck MP1584 para transformar a tensão de baixa (12 V) para 5 V. Todos os GNDs que estão na placa, também, tem o mesmo referencial que os outros GNDs presentes no carro. Os dados monitorados na placa são: o GPS, o IMU, o módulo Rádio Xbee, a tensão da bateria de baixa, o hall da bateria de baixa, e um sensor da pressão de freios. As conexões no ESP-32 são:

Pino GPIO Conexão Feita
VCC Regulador 3V3
GND GND Geral
EN Capacitor 10 µF
IO0 Interlock Bateria
IO2 Interlock HVD
IO4 Shutdown Button 1
IO5 Shutdown Button 2
IO12 CAN MISO
IO13 CAN MOSI
IO14 CAN SCK
IO16 GPS TX
IO17 GPS RX
IO18 GLVMS
IO19 TSMS
IO21 IMU SDA
IO22 IMU SCL
IO23 CAN CS
IO27 CAN INT
IO34 Tensão GLV
IO35 Sensor Hall GLV
RXD0 TX Rádio
TXD0 RX Rádio

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Esse post é resultado da parceria da FilipeFlop com a Cheetah E-Racing. Curtiu o conteúdo? Então deixe seu comentário abaixo! E não esqueça de acompanhar a Cheetah E-Racing nas redes sociais.

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