传感器数据采集系统设计

2018-11-07刘冠艳

中小企业管理与科技 2018年27期

刘冠艳

（曲靖市麒麟职业技术学校，云南曲靖 655000）

1 引言

在嵌入式应用开发中，常常需要对传感器的数据进行采集。为保证传感器采集数据的精度，必须使用单精度或双精度浮点数进行采集，但是浮点数据在计算机内部存储的结构有别于其他类型的数据，同时由于传输的过程中存在丢包和干扰现象，为实现在上位机和下位机之间浮点数据的采集，本文使用STM32位处理器作为下位机主控，对PC上位机和下位机之间的通讯机制进行了初步研究。

2 下位机设计

有刷直流电机[2]调速系统由有刷直流电机、电机驱动模块、STM32F103C8T6最小开发板模块、霍尔编码器构成。在使用开发版板串口时，首先对相关寄存器初始化设置，以使串口发送接收数据。同时在实际应用时为了保证一定的精度，传感器采集的数据通常是浮点数据[3]，串口发送接收时需要对浮点数据进行处理：发送时将浮点数据转换成字节数据，接收数据时将字节数据转换成浮点数据[4]。

2.1 下位机串口硬件初始化

下位机硬件串口和上位机串口属性设置类似，具体代码如下：

RCC-＞APB2ENR|=1<<2;//使能串口 1 时钟

GPIOA-＞CRH&=0XFFFFFF0F；

GPIOA-＞CRH|=0X000000B0;//设置PA口输入输出模式

RCC-＞APB2RSTR|=1<<14;//串口复位

RCC-＞APB2RSTR&=～(1<<14);//停止串口复位

USART1-＞BRR=mantissa;//设置串口波特率

USART1-＞CR1|=0X200C;//一位停止位，无校验

USART1-＞CR1|=1<<8;//串口中断使能 USART1-＞CR1|=1<<5;//接收缓冲区非空中断使能

MY_NVIC_Init(2,1,USART1_IRQn,2);//设置串口中断优先级

由于下位机串口发送接收的是字节数据，需要将字节数据转换成浮点数据[5]，通过下列语句进行转换，x为缓冲区接收到的字节变量，y为浮点数据。

y=(*(float*)&x))；

图1 卡尔曼滤波效果对比

发送数据时需要将浮点数据转换成字节收据进行发送，使用下列语句进行转换。x为缓冲区接收到的字节变量，y为浮点数据[6]。

2.2 卡尔曼滤波

卡尔曼滤波是一种常见的时域滤波方法，该方法可以根据系统的输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计[7]。该滤波算法[8]可以有效剔除系统中的随机噪声和干扰的影响，便于计算机编程实现,并能够对现场采集的数据进行实时更新和处理,因此，在许多方面得到了广泛应用。滤波效果见图1。

3 上位机设计

上位机串口通讯软件采用Visual studio2005 C#语言编写，由于上位机和下位使用串口进行通讯，因此在编写上位机软件时必须引用System.IO.Ports命名空间，在程序开头部分使用下列语句：using System.IO.Ports。

引用后创建串口变量并对它的属性进行设置，并将串口serialPort的波特率设置为9600kbs，8位数据位，一个停止位，无奇偶校验。

在程序中使用Read()方法读取缓冲区的数据，发送数据使用serialPort2.Write()方法，为了实时观察传感变化的情况，上位机软件需要须用到chart控件，使用时应在程序开头部分引用下列语句：System.Windows.Forms.DataVisualization.Charting

需对chart控件的ChartAreas["ChartArea1"].AxisY属性的MajorTickMark、MinorTickMark进行设置，添加点使用chart1.Series["Series1"].Points的AddXY()方法。

4 通信控制设计

由于需要传递的数据大部分是浮点数据，而浮点数据在内存中占用4个字节，并且在STM32F103C8T6和PC中都是小端存储模式，所以PC上位机和下位机之间通讯封装了7个字节的数据包，其格式是：

FF M f1 f2 f3 f4 0A

FF代表数据包开始，M代表传送数据类型，f1-f4代表4个字节浮点数据，0A表示数据结束。上位机发送7个字节的数据包，下位机串口接收到数据进行中断响应，在单片机内部中断响应的过程如下：首先对接收到的数据进行解包，如果数据封装完整，单片就把设置好的数据发送给上位机，如果单片机中断响应没有正确获得数据包，直接进行丢包处理。上位机接收到数据，产生接收数据事件触发响应，上位机响应后检查设置的数据是否一致，如果一致，就在上位机上相应控件显示，并且生成日志，以便查看参数设置记录，上位机检查如果发现设置参数不一致，再重新发送。