《2024 DigiKey 汽车应用创意挑战赛》树莓派伏安表采集系统

aoxiangwode2008

一、项目名称：

      基于树莓派伏安表采集系统

二、项目概述：

      本项目旨在开发一款基于树莓派采集负载设备的电压，电流，功率的系统，并可以在上位机上显示实时数据，并记录分析。采用电流监测芯片，来自于TI的INA226，控制和数据传输接口为IIC总线，可以检测最大36V,4A，其精度为1ma。

三、硬件部分

     核心部分：

• ?         处理器?：[color=var(--cos-color-text-link)]Broadcom BCM2712四核[color=var(--cos-color-text-link)]Arm Cortex-A76处理器，主频为2.4 GHz，带有加密扩展，每核512KB二级缓存，2MB共享L3缓存。
• ?         内存?：提供1GB、2GB、4GB和8GB四种运行内存版本。
• ?         存储?：支持高速SDR104模式的[color=var(--cos-color-text-link)]MicroSD卡插槽，性能是[color=var(--cos-color-text-link)]树莓派4的两倍。
• ?         视频输出?：两个[color=var(--cos-color-text-link)]HDMI端口，最高支持4Kp60分辨率，支持HDR。
• ?         网络连接?：千兆以太网RJ45接口，支持双频802.11ac Wi-Fi 5和蓝牙5.0/低功耗蓝牙（BLE）。
• ?         USB接口?：两个USB 3.0接口和两个USB 2.0接口，支持同时5Gbps操作。
• ?         其他特性?：配备了实时时钟（RTC）、电源按钮、UART调试连接器等。
  

    采集部分：

          INA226是一种电流电压监测器，具有I2C或SMBUS兼容接口。该设备监测电流电压降和总线供电电压。可编程的校准值、转换时间和平均值，结合内部乘法器，使得直接读出电流（安培）和功率（瓦特）成为可能。INA226感知的电流是在公共模式总线电压上，该电压可以独立于供电电压在0V至36V之间变化。该设备从单一2.7V至5.5V的供电中工作，典型的供电电流为330μA。该设备在-40°C至125°C的工作温度范围内指定，并在I2C兼容接口上具有最多16个可编程地址。

     接口：

• INA226:
  
  
  • SDA -> Raspberry Pi的SDA（GPIO2）
  • SCL -> Raspberry Pi的SCL（GPIO3）
  • GND -> Raspberry Pi的GND
    
    
• UART:
  
  
  • Raspberry Pi的TX（GPIO14） -> 电脑的RX（通过USB转TTL模块）
  • Raspberry Pi的RX（GPIO15） -> 电脑的TX（通过USB转TTL模块）
  • GND -> GND
    
    

原理图如下：

四、软件部分

1. import smbus
   
2. import serial
   
3. import time
   
4. 
   
5. # INA226默认I2C地址
   
6. INA226_ADDRESS = 0x40
   
7. 
   
8. # 寄存器地址
   
9. INA226_REG_CONFIG = 0x00
   
10. INA226_REG_SHUNTVOLTAGE = 0x01
    
11. INA226_REG_BUSVOLTAGE = 0x02
    
12. INA226_REG_POWER = 0x03
    
13. INA226_REG_CURRENT = 0x04
    
14. INA226_REG_CALIBRATION = 0x05
    
15. 
    
16. # 配置寄存器设置
    
17. INA226_CONFIG = 0x4127  # 默认配置，平均模式1，总线电压转换时间1.1ms，分流电压转换时间1.1ms
    
18. 
    
19. # 初始化I2C总线
    
20. bus = smbus.SMBus(1)  # Raspberry Pi使用I2C总线1
    
21. 
    
22. # 初始化UART
    
23. uart = serial.Serial("/dev/serial0", baudrate=9600, timeout=1)  # 使用默认串口，波特率9600
    
24. 
    
25. def write_register(address, register, value):
    
26.     bus.write_i2c_block_data(address, register, [(value >> 8) & 0xFF, value & 0xFF])
    
27. 
    
28. def read_register(address, register):
    
29.     data = bus.read_i2c_block_data(address, register, 2)
    
30.     return (data[0] << 8) | data[1]
    
31. 
    
32. def ina226_init():
    
33.     write_register(INA226_ADDRESS, INA226_REG_CONFIG, INA226_CONFIG)
    
34.     # 设置校准寄存器，假设分流电阻为0.1欧姆，最大预期电流为3.2A
    
35.     calibration_value = int(0.00512 / (0.1 * 0.001))
    
36.     write_register(INA226_ADDRESS, INA226_REG_CALIBRATION, calibration_value)
    
37. 
    
38. def ina226_read_shunt_voltage():
    
39.     shunt_voltage = read_register(INA226_ADDRESS, INA226_REG_SHUNTVOLTAGE)
    
40.     return shunt_voltage * 0.0000025  # 转换为伏特
    
41. 
    
42. def ina226_read_bus_voltage():
    
43.     bus_voltage = read_register(INA226_ADDRESS, INA226_REG_BUSVOLTAGE)
    
44.     return (bus_voltage >> 3) * 0.001  # 转换为伏特
    
45. 
    
46. def ina226_read_current():
    
47.     current = read_register(INA226_ADDRESS, INA226_REG_CURRENT)
    
48.     return current * 0.001  # 转换为安培
    
49. 
    
50. def ina226_read_power():
    
51.     power = read_register(INA226_ADDRESS, INA226_REG_POWER)
    
52.     return power * 0.0025  # 转换为瓦特
    
53. 
    
54. def send_data_via_uart(data):
    
55.     uart.write(data.encode())  # 将数据编码为字节并发送
    
56. 
    
57. if __name__ == "__main__":
    
58.     ina226_init()
    
59.     time.sleep(0.1)  # 等待初始化完成
    
60. 
    
61.     while True:
    
62.         shunt_voltage = ina226_read_shunt_voltage()
    
63.         bus_voltage = ina226_read_bus_voltage()
    
64.         current = ina226_read_current()
    
65.         power = ina226_read_power()
    
66. 
    
67.         # 格式化数据
    
68.         data = f"Shunt Voltage: {shunt_voltage:.4f} V, Bus Voltage: {bus_voltage:.4f} V, Current: {current:.4f} A, Power: {power:.4f} W\n"
    
69. 
    
70.         # 通过UART发送数据
    
71.         send_data_via_uart(data)
    
72.         print(data)  # 在终端打印数据（可选）
    
73. 
    
74.         time.sleep(1)  # 每秒读取一次

复制代码

代码说明

• I2C部分:
  
  
  • 使用smbus库与INA226通信。
  • 初始化INA226并读取电流、电压和功率数据。
    
    
• UART部分:
  • 使用pyserial库通过UART发送数据。
  • 数据格式化为字符串并通过uart.write()发送。
    
    
• 主循环:
  
  
  • 每秒读取一次数据并发送。
    
    

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