BetaFlight开源代码之电流校准

1. 源由

前些时间遇到两个情况：

1. Ardupilot飞控如何设置BATT_AMP_PERVLT?
2. 遇到一些飞控板子出现电流数据不准确的问题？

当然数据不准确一定是问题，但是导致问题的原因不同，解决方法就会不同。

因此，要解决不准确的现象，必须找到导致该现象的原因：可能是单一个因素，也可能是多种因素。

这里就有个最为简单的工程技术逻辑：如何分析root cause？

这也是工程技术人员必须具备的能力，而往往多因素工程技术分析能力是研发入门的难点，不是说技术上难，而是在思维上难。类似点、线、面（二维）、立体（三维）、时空（四维）中，定位一个点的问题。

好了，不在多说，很多或者说大部分能力是可以通过后天学习、锻炼的，当然确实有一些“第六感”很难说清楚，有人会说“天生”的。尽管我不太认同，但是确实特长往往有这种天赋异禀的神来之笔。

2. 分析

2.1 常规逻辑

先做一个常规逻辑/常用概念，老外比较喜欢说"common sense”，因为没有这个概念的人，沟通工程技术问题是很难的，因为没有"common sense"。

这个常规工程处理逻辑是这样的：

1. 什么场景下，导致了不准？ // 澄清并明确环境因素，操作步骤等周边信息；记录不准确现象的量化测试一手数据
2. 电流数据是经过哪些途径被展现出来的? //传感采样入口–>芯片–>原始数据处理–>公式校准–>应用展示
3. 结合#1/#2两点，基于知识、经验，分析出可能出现问题的因素和出现问题的途径
4. 根据$2^{n-1}$大致实验法则：1个因素$2^{1-1}=1$次实验；2个因素$2^{2-1}=2$次实验，依次类推进行对比实验
5. 根据#4的实验结果，基于知识、经验得出结论；若尚无法接近rootcause则循环#3
6. 若多次重复#5仍然无法获得理想效果，则需要循环#1

2.2 数据流

电源==路径1==》采样电路==路径2==》ADC==路径3==》MCU==路径4==》地面站/OSD

上述任何一个位置和路径都可能发生问题，导致电流不准。

1. 电源问题，比如：测试电流源不准（设备异常）
2. 路径1问题，比如：线缆压降损耗
3. 采样电路问题，比如：采样芯片周边器件容抗、阻抗精度衰减
4. 路径2问题，比如：信号干扰
5. ADC/路径3/MCU问题，比如：代码异常
6. 路径4问题，比如：协议格式不匹配
7. 地面站/OSD问题：比如：代码异常

因此，各种情况都有可能发生，那么问题来了，您遇到的最有可能得是什么呢？依赖于#1提供的“环境因素，操作步骤，以及不准确现象的量化测试一手数据”。

如果，您的客户说：“我也不清楚。”
那么，恭喜您，第一步就是复现客户现象，并整理“环境因素，操作步骤，以及不准确现象的量化测试一手数据”。

2.3 采样电路

2.3.1 采样实现

【1】Current Sensing with Low-Voltage Precision Op-Amps

• Low-Side Current Sensing Implementation

• High-Side Current Sensing Implementation

A low-side, current-sensing resistor in a fast-charge
control circuit generates a small voltage drop between the
low side of the battery pack and ground. This drop is not
a problem in most cases; however, some applications,
particularly mobile communications circuits, are
intolerant of any potential difference between the low
side of the battery pack and ground. Using a few
additional components in the circuit, high-side current
sensing solves this problem and allows the charging
source, application circuit, and battery pack to share a
common ground.

注：High-Side Current Sensing

2.3.2 采样原理

航模上面没有这么讲究，通常就是采用Low-Side Current Sensing Implementation，因此在低电流的时候就不太准。

【2】High-Voltage, High-Side Floating Current Sensing Circuit Using Current Output, Current Sense Amplifier

主要误差来源于$R_{shunt}$精度，以及$R_{shunt}$上的$V_{sense}$电压，对于INA138来说，需要尽量接近15mV。

To minimize error, make the shunt voltage as large as the design will allow. For the INA138 device, keep $V_{sense}$ >> 15 mV.
The relative error due to input offset increases as shunt voltage decreases, so use a current sense amplifier with low offset voltage. A precision resistor for $R_{shunt}$ is necessary because $R_{shunt}$ is a major source of error.

2.3.3 Layout参考

【3】INA1x9 High-Side Measurement Current Shunt Monitor

2.3.4 INA169芯片

2.3.5 INA169 Near-Zero Vsense

【4】Using Current Sense Amplifiers at Near-Zero Vsense

1A以下电流，精度指数级降级，惨不忍睹。还好是航模，应该目前这种设计方案也无所谓。

注：如果要做无人机，这块内容需要进一步考虑。

3. 原理

• inav/betaflight/ardupilot在电流传感器方面的校准方法大致是相同的，采用的是线性拟合： $y=ax+b$
• betaflight内部公式：$Y=(millivolts\ast 10000/scale+offset)/10$
• betaflight电流计地面站界面

大部分情况下是，大家都是用的默认值，也不太操作校准，因为校准需要用硬件测试电流。

如果您确实对电流不准的问题非常在意，希望通过校准来确保显示的数据正确，那么需要准备万用表，串接到电源上，进行测试。

4. 示例

测试注意事项：

1. 注意桨叶安全（不要割到手）；如果要大电流校准，可以考虑桨叶反装方式（推油门，飞机紧急的贴着桌子），防止起飞，防止电机空转烧机；
2. 建议测试5点数据：20%-40%-60%-80%-100%油门；
3. 设置scale=200，offset=0，测试5点电流数据：地面站电流数据(GSCurrent)，万用表电流数据(MeterCurrent），$Y=(millivolts\ast 10000/scale)/10$；
4. 换算$Y=MeterCurrent$, $X=millivolts=GSCurrent\ast scale(200)/1000=GSCurrent\ast 5$
5. 通过工具Linear regression calculator进行拟合；
6. 计算出scale, offset值，并填入betaflight地面站配置参数栏位

4.1 实测&转换数据

注：这里测试了5点，但是第一点值很小，后面我们再来说明原因。

4.2 线性拟合-小电流

4.3 线性拟合-大电流

4.4 大电流/小电流数据分析

因为之前在2.3.5章节提到了关于 INA169 Near-Zero Vsense的误差指数级递增的问题。因此在1A以下，Low-Side Current Sensing Implementation的采样原始数据不可靠，无法用于分析。

因此，大电流校准比较靠谱。

4.5 自动化计算表格

整理了一份自动化计算的表格，准确的说应该是半自动化吧。

• BetaFlight Current Calibration Guide

5. 其他问题

当然，不排除硬件上的各种问题。但是前提是要进行校准，相信硬件厂商，既然卖出来就是经过检测的，应该都是没有问题的。

如果真的存在问题，大概率这些地方发生了问题：(这里只是简单做了整理，欢迎大家批注，评论，谢谢！)

1. $V_{OS}$ 采样电路的干扰，会导致原始数据异常;
2. $V_O$信号在传输过程收到干扰，也会影响MCU的ADC数据采集

列举一些硬件异常的问题：

1. 2019/5/9 AIKONF4 Wrong current readings when using DSHOT #8233
2. 2020/1/3 Kakute F7 HDV, Tekko32 F3 Combo current sensor reading very inaccurate #9330
3. 2021/11/1 GEPRC F722 35A AIO ADC current sensor value has too much jitter #11089
4. 2021/1/5 Kakute F7 mini & Tekko32 F3 45A Mini - Strange current sensor reading #10449

6. 参考资料

【1】BetaFlight开源代码框架简介
【2】BetaFlight深入传感设计：传感模块设计框架
【3】BetaFlight模块设计之三：芯片温度&参考电压和电池监测模块分析
【4】BetaFlight开源代码之电压校准