三轴加速度测试器上位机开发研究

金明祺++王国庆++李继方

摘 要：开发了一种三轴加速度测试器的上位机软件，该软件包括数据擦除、时间设置、数据接收以及数据分析4个功能模块。具有数据平滑及融合，图片信息保存及导出功能。其中，数据平滑通过FIR滤波器实现，并可合理选择窗函数类型实现最优平滑效果；数据融合策略采用三轴加速度加权平均融合，以获取三轴加速度的同步矢量和峰值；图片信息处理采用C++类库中的TeeChart画图工具实现，具有方便快捷特点；通过系统功能的调试与测试，验证了上位机系统设计的可行性。

关键词：FIR滤波器 数据融合 调试与测试

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（c）-0009-03

Abstract： The Upper computer software is exploited to process data collecting from a three axis acceleration

recorder. This software has four functional modules including data erasure， time setting， data reception and data

analysis. Data analysis module has ability in aspect of data processing such as smoothness， fusion and export.

Moreover， the FIR filter is introduced for the optimal smooth effect via selecting reasonable window-function

types. Finally， vector sum of three axis acceleration is calculated by weighted average fusion method. Since using

TeeChart class library of C++， our software have visualization， convenient and flexible characteristic. Effectivenessof our design is verified by experiments.

Key Words： FIR filter； Data fusion； Debugging and experiments

三轴加速度测试器能够记录存储加速度等运动状态信息，通过相应的上位机软件做详细分析提取出受力情况详情，以此来对物资包装进行相应调整和改进，为物资安全运输保驾护航[1]，现有三轴加速度测试器通常采用单片机主控芯片，串口通信模式进行上下机信息传递，具有价格便宜、功耗低，体积小巧等优点[2]。但由于采用串口通信模式，造成数据传输速率过低[3]，无法保证高频次实验需求。针对上述需求，因此迫切需要设计新型三轴加速度测试器，进而提出了新的上位机开发要求。

1 系统总体方案设计

上位机软件要求USB接口方式，下位机采集的三轴加速度信息，通过USB端口传送到上位机并保存到指定文件夹。主要分为四大功能模块：数据擦除、时间设置、数据接收和数据分析。如图1所示。

系统基本功能有以下几种。

1.1 数据擦除

采集次数达到三次时，若重新采集信息时需对采集的数据擦除。擦除的方式有两种：（1）冷擦除，持续压下位机的擦除键10s，擦除指示灯灯闪烁显示。（2）热擦除，单击数据擦除按钮可以完成对下位机采集信息擦除。

1.2 时间设置

单击时间设置按钮可以实现对下位机采集分钟数的设置。

1.3 数据接收

通過USB端口接收微控制器存储的数据。用户可以在选择组数这一栏中选择接收数据组号，并把这组数据保存到程序提前设置好路径中。

1.4 数据分析

数据分析的功能是对数据接收的文本文档操作，当点击数据分析按钮时会出现对应的功能界面，主要有辅助分析、保存图片、保存Excel与数据平滑等功能。研究发现，虽然采样信息在下位机已经做过低通滤波处理，仍难以满足数据处理进度及稳健性需求。因此，数据接收后，需经由低通滤波器处理。低通滤波器采用有限长单位冲激响应滤波器（FI R）实现，FIR滤波器[4]是数字信号处理系统中最基本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时，且具有严格的线性相频特性，同时由于其有限长单位抽样响应，可以确保滤波器系统的稳定性。FIR滤波器，可用如下差分方程来描述：

（1）

其中，为上位机接收的数据，为输出序列，为待设计的N点滤波器单位脉冲响应。由于冲击信号为含有高频杂波的低频信号，依据下位机采样频率、冲击实验数据、并考虑奈奎斯特采样定理约束，分别采用7点矩形和三角窗低通滤波器设计，其幅频响应如图2所示，具体参数如表1所示。

研究发现，三维冲击的矢量和为影响设备安全的关键因素，因此需将三维测量值转化为矢量和进行冲击力评估，转化方式采用常规欧式距离计算方法，如（2）式所示。

（2）

其中表示n时刻三轴加速度的矢量和（i=1，2，3）分别表示经FIR滤波器输出的轴的加速度。

2 系统功能调试及实验测试

当完成系统硬件组装、软件设计，便进入开发系统的调试阶段。系统调试是检查设计系统中硬件设计和软件设计中存在的不足之处，最终达到期望效果使系统正常工作。利用VC++软件调试程序将程序封装后生成执行文件。

如图3的上位机软件初始界面效果图所示。

实验时首先将下位机的存储数据擦除且设置好采集分钟数，然后连接下位机和传感器，并将下位机用软气泡袋包装（防止下位机因振动损坏）。在投掷下位机设备前，点击下位机电源键开始采集信息，并通过无人机将整个过程利用拍照或视频软件记录。下位机获取三轴加速度信息后，将其通过数据线连接到上位机USB接口，进而执行上位机软件接收数据。通过端口号和数组选择，接收指定数据组，数据传输界面图如图4所示。

数据分析是对信息采集的验证阶段。图5为三轴加速度记录仪系统的数据分析界面，包括复选通道、放大图形、保存图片、平滑数据以及保存为Excel等功能。

3 结语

三轴加速度记录仪是一款对空投物资状态信息进行记录存储分析的专业仪器。本设计以应急救灾和快递运输为背景，结合当前技术和经验对三轴加速度记录仪的上位机软件进行了设计。

介绍了上位机软件的设计思路及实现方法，简要说明了上位机界面。该系统的特点主要有：四大模块功能相对独立，耦合度低，软件结构清晰、合理；软件界面趋于理性化，操作比较方便，可扩展性好。最后，对设计的上位机软件进行了实验测试，结果表明该软件运行稳定、可靠高，满足了设计需求。

参考文献

[1] 周小红.空投救灾物资的数学模型及其最优方案[J].学园：教育科研，2012（24）：75.

[2] 周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[3] 王静.基于单片机的数据串口通信[D].长江大学，2013.

[4] 周伟林，周鲜成，李清峰.FIR滤波器的软件仿真与硬件实现[J].微计算机信息，2009（4）：222-224.endprint