PowerMeter – Einleitung, Funktionen im Detail

Vielleicht hat der ein oder andere Leser vom alten Projekt des „Leistungsmessers“ gehört. Hierbei ging es darum im Auto Ströme und Spannungen zu erfassen. Diese wurden anschließend auf einem LCD Display dargestellt und konnten zusätzlich über USB, mit passender Windows Software, ausgelesen werden.

Am Anfang habe ich ein TI INA138 verwendet. Dieser musste vom Mikrocontroller mit Hilfe des ADCs ausgelesen werden. Die Messbereiche mussten über zuschaltbare Widerstände  eingestellt werden. Für die Übertragung der Messdaten zum PC ist eine serielle Schnittstelle mit FTDI232 IC nötig gewesen (CDC Device).

Später entdeckte ich den per I2C auslesbaren TI INA219 IC. Dieser bat verstellbare Messbereiche per Protokoll und hatte den großen Vorteil, dass die Messgenauigkeit maßgeblich durch den IC selbst bestimmt ist. Das Projekt Leistungsmesser schlief im Laufe der Zeit ein, da es doch einige Nachteile hatte. So rollte ich das Projekt im Rahmen einer Studienarbeit vor 4 Monaten komplett neu auf.

Aber genug zu der alten Hardware. Was kann die neue, nun internationaler klingende, PowerMeter-Hardware? 😉

Der INA219 hat mich überzeugt und ich habe diesen IC wieder eingesetzt. Der Vorteil der digitalen Übertragung ist der einer relativ einfachen galvanischen Trennung. Wer möchte schon das der PC mit dem Messobjekt direkt in Verbindung steht? Einige Spannungsspitzen, gerade im KFZ-Bereich, können einen Rechner auch ernsthaft Schaden zufügen. Weiterhin bietet die galvanische Trennung den Vorteil, dass mehrere PowerMeter am Messobjekt verwendet werden können ohne das Schaltungsteile über die Massen verbunden werden. Dies vergrößert den Einsatzbereich erheblich und verringert störende Einflüsse auf das Messobjekt und Messergebnis. Also lautet das neue Konzept: galvanische Trennung + INA219.

Der Messbereich für die Spannungsmessung ist auf 26 Volt Gleichspannung limitiert. Die ausschließlich Highside-Strommessung (Messwiderstand muss in die Plus-Leitung) ist von +- 40 mV Fullscale bis +- 320 mV Fullscale möglich. Dazu wird der IC einfach im Messbereich umgeschalten, wenn die Grenzen erreicht werden. Der Benutzer muss sich darum nicht kümmern.

Wie schon erwähnt darf nur Gleichspannung gemessen werden und die möglichen negativen Messspannungen am Shunt sind für Lade- und Entladeschaltungen relevant. Wird der Akku geladen, ist je nach Polung der Messeingänge am PowerMeter eine z.B. positiver Strom zu messen. Wird der Akku nicht geladen, sondern von einem Verbraucher belastet, liegt eine negativer Strom vor.

Die Eingänge der Spannungsmessung sind gegen Verpolen geschützt so lange die Spannung nicht größer als 32 Volt ist. Gleichzeitig ist der Mess-IC gegen eine Spannung größer 33 Volt geschützt (ohne Verpolung). Sollten man bei der Installation oder beim Basteln einmal unachtsam sein, wird nicht gleich das PowerMeter dem Elektronikschrott zugeführt. Dies ist auch eine weitere Neuerung in dieser Version. =)

Das Display, dass es beim Leistungsmesser gab, wurde entfernt oder besser gesagt ausgelagert. Mit so einem Display kann man es niemandem recht machen. Mal möchte jemand grün statt roter Hintergrundfarbe oder besser ein Vollgrafikdisplay für wenig Geld, versteht sich. In Zeiten von Arduino können auch Personen mit weniger Erfahrung auf dem Gebiet der Elektronik und Programmierung eintauchen. Daher gibt es einen RS485 Ausgang der alle Messergebnisse permanent liefert. Diese müssen nur zurück in ein UART-Signal gewandelt werden (SN75176) und können anschließend für eine eigene Entwicklung benutzt werden. Dazu stellt der PowerMeter sogar noch 5 Volt zur Verfügung. Da die Elektronik über eine selbstrückstellende Sicherung verfügt sollte nicht zu viel Strom entnommen werden. Bei der eingesetzten 350 mA Sicherung sollten noch 100 mA für externe Baugruppen zur Verfügung stehen.

Möchte man größere Ströme (> 20 A) messen, ist es nicht so einfach einen Shunt einzusetzen. Dazu ist eine dritte Stiftleiste am PowerMeter vorhanden. Mit dieser ist es möglich einen sehr günstigen Hall Current Messring anzuschließen. Die alternative Strommessung kann die Strommessung über den INA219 IC ersetzen. Die Spannungsmessung wird aber weiterhin darüber erfasst. Die berührungslosen Strommessringe gibt es in 200, 400, 600 und 800 Amper Messbereich und können um einige Amper übersteuert werden (siehe Datenblatt).

Um die lästige Treiberinstallation bei einem CDC USB Device zu umgehen und die Verbindung stabiler zu gestalten, arbeitet das PowerMeter nun mit HID Device. Also wie man es von Keyboard und Mouse kennt. Damit ist die PC-Software um einiges einfacher zu bedienen. Ein Einstecken der Hardware reicht aus um ein Messfenster anzuzeigen. Aktuell wird noch intensiv an Windows- und Mikrocontroller-Software gearbeitet, dies stellt kein Problem dar da die Hardware mit einem USB-Bootloader zum Softwareupdate versehen werden kann.

Das PowerMeter ist auch USB-Spec. konform. Wird der PC in den Schlafmodus versetzt, werden alle genannten Module der Elektronik abgeschalten und auch der µC geht in den Schlafmodus, bis der Rechner wieder aktiviert wird.

Wie aus der Einführung hervorgeht, ist die Elektronik nicht ausschließlich für CarHiFi Fans gedacht. Die Soft- und Hardware wurde diesmal universeller ausgelegt und können nun für jegliche Spannungs- und Strommessungen in den angegebenen Messbereichen verwendet werden.

Die Hardware des PowerMeters wird komplett offen gelegt. Die Quelltexte der PC und µC-Software werden von mir nicht veröffentlicht. Die Binärdateien sind demnächst von diesem Blog ladbar und jeder kann sich seinen PowerMeter auflöten der keine kommerzielle Zwecke damit verfolgt und mein Copyright gewahrt bleibt. Die Übertragungsprotokolle werde ich veröffentlichen, so können alternative PC-Programme für andere Betriebssysteme erstellt werden.

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