傳感器數據采集系統(tǒng)設計

劉冠艷

（曲靖市麒麟職業(yè)技術學校，云南 曲靖 655000）

1 引言

在嵌入式應用開發(fā)中，常常需要對傳感器的數據進行采集。為保證傳感器采集數據的精度，必須使用單精度或雙精度浮點數進行采集，但是浮點數據在計算機內部存儲的結構有別于其他類型的數據，同時由于傳輸的過程中存在丟包和干擾現象，為實現在上位機和下位機之間浮點數據的采集，本文使用STM32位處理器作為下位機主控，對PC上位機和下位機之間的通訊機制進行了初步研究。

2 下位機設計

有刷直流電機[2]調速系統(tǒng)由有刷直流電機、電機驅動模塊、STM32F103C8T6最小開發(fā)板模塊、霍爾編碼器構成。在使用開發(fā)版板串口時，首先對相關寄存器初始化設置，以使串口發(fā)送接收數據。同時在實際應用時為了保證一定的精度，傳感器采集的數據通常是浮點數據[3]，串口發(fā)送接收時需要對浮點數據進行處理：發(fā)送時將浮點數據轉換成字節(jié)數據，接收數據時將字節(jié)數據轉換成浮點數據[4]。

2.1 下位機串口硬件初始化

下位機硬件串口和上位機串口屬性設置類似，具體代碼如下：

RCC-＞APB2ENR|=1<<2;//使能串口 1 時鐘

GPIOA-＞CRH&=0XFFFFFF0F；

GPIOA-＞CRH|=0X000000B0;//設置PA口輸入輸出模式

RCC-＞APB2RSTR|=1<<14;//串口復位

RCC-＞APB2RSTR&=～(1<<14);//停止串口復位

USART1-＞BRR=mantissa;//設置串口波特率

USART1-＞CR1|=0X200C;//一位停止位，無校驗

USART1-＞CR1|=1<<8;//串口中斷使能 USART1-＞CR1|=1<<5;//接收緩沖區(qū)非空中斷使能

MY_NVIC_Init(2,1,USART1_IRQn,2);//設置串口中斷優(yōu)先級

由于下位機串口發(fā)送接收的是字節(jié)數據，需要將字節(jié)數據轉換成浮點數據[5]，通過下列語句進行轉換，x為緩沖區(qū)接收到的字節(jié)變量，y為浮點數據。

y=(*(float*)&x))；

圖1 卡爾曼濾波效果對比

發(fā)送數據時需要將浮點數據轉換成字節(jié)收據進行發(fā)送，使用下列語句進行轉換。x為緩沖區(qū)接收到的字節(jié)變量，y為浮點數據[6]。

2.2 卡爾曼濾波

卡爾曼濾波是一種常見的時域濾波方法，該方法可以根據系統(tǒng)的輸入輸出觀測數據，對系統(tǒng)狀態(tài)進行最優(yōu)估計[7]。該濾波算法[8]可以有效剔除系統(tǒng)中的隨機噪聲和干擾的影響，便于計算機編程實現,并能夠對現場采集的數據進行實時更新和處理,因此，在許多方面得到了廣泛應用。濾波效果見圖1。

3 上位機設計

上位機串口通訊軟件采用Visual studio2005 C#語言編寫，由于上位機和下位使用串口進行通訊，因此在編寫上位機軟件時必須引用System.IO.Ports命名空間，在程序開頭部分使用下列語句：using System.IO.Ports。

引用后創(chuàng)建串口變量并對它的屬性進行設置，并將串口serialPort的波特率設置為9600kbs，8位數據位，一個停止位，無奇偶校驗。

在程序中使用Read()方法讀取緩沖區(qū)的數據，發(fā)送數據使用serialPort2.Write()方法，為了實時觀察傳感變化的情況，上位機軟件需要須用到chart控件，使用時應在程序開頭部分引用下列語句：System.Windows.Forms.DataVisualization.Charting

需對chart控件的ChartAreas["ChartArea1"].AxisY屬性的MajorTickMark、MinorTickMark進行設置，添加點使用chart1.Series["Series1"].Points的AddXY()方法。

4 通信控制設計

由于需要傳遞的數據大部分是浮點數據，而浮點數據在內存中占用4個字節(jié)，并且在STM32F103C8T6和PC中都是小端存儲模式，所以PC上位機和下位機之間通訊封裝了7個字節(jié)的數據包，其格式是：

FF M f1 f2 f3 f4 0A

FF代表數據包開始，M代表傳送數據類型，f1-f4代表4個字節(jié)浮點數據，0A表示數據結束。上位機發(fā)送7個字節(jié)的數據包，下位機串口接收到數據進行中斷響應，在單片機內部中斷響應的過程如下：首先對接收到的數據進行解包，如果數據封裝完整，單片就把設置好的數據發(fā)送給上位機，如果單片機中斷響應沒有正確獲得數據包，直接進行丟包處理。上位機接收到數據，產生接收數據事件觸發(fā)響應，上位機響應后檢查設置的數據是否一致，如果一致，就在上位機上相應控件顯示，并且生成日志，以便查看參數設置記錄，上位機檢查如果發(fā)現設置參數不一致，再重新發(fā)送。

5 結論

綜上所述，在嵌入式應用開發(fā)中，上位機和下位機之間通過串口進行通訊時，由于傳感器存在各種干擾因素，需要對獲取的數據進行濾波，在本文中使用卡爾曼濾波的方法進行濾波，獲得了較好的效果。同時由于整個通訊過程存在數據丟失時或者干擾的可能，需對數據進行封裝和丟包處理，以便能夠正確解析通訊數據。