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单片机同步数据采集测量系统
摘要：论文使用单片机处理同步数据收集。它描述了测量系统反馈的基本描述，该反馈由两个激光器和两个编码器组成。接下来是对整个测量链的描述，并简要介绍了测量单元。下一部分重点介绍测量单元（测量和通信处理）和通信外设以及外部LAN模块的固件描述。使用DMA控制器和使用的传感器或模块的通信技术来增强整个过程。最后，提出了同步数据采集的方法，以确保整个测量系统的正常工作，获得尽可能好的测量结果。
关键词：嵌入式系统；微处理器；工业自动化；数据采集。
- 引言
数据收集过程是监视和控制工业过程的基本过程。这也是工业4.0的关键要素（施瓦布，2016年）。收集的数据可用于增强制造或业务优化。系统必须确保一套复杂的规则和条件，以检查其可信度和有效性。这个新术语是为工业目的而出现的，称为“工业物联网”。在某些情况下，必须为旧机器扩展新的数字测量设备，以便能够收集基本数据。
本文将数据采集技术应用到一个用于测量各种物体形状的嵌入式系统中。该诊断系统由两个光学测微仪和两个增量式编码器组成。来自传感器的数据在基于单片机的系统中进行采集和预处理，该系统执行同步数据收集以确保最佳结果。这种方法提高了整个测量系统的鲁棒性、准确性和稳定性。最近更新的主要目标是使用DMA控制器增强嵌入式系统中的通信，该控制器负责处理系统的不稳定部分。
当多个设备试图同时进行通信时，通信会引起问题。在将结果从MCU发送到PC时，测量过程有时会崩溃。当MCU从两个激光器收集数据并且PC发送请求消息（例如，针对下一部分数据）时，会出现另一种严重情况。 MCU收到不完整或损坏的消息，并且正在进行的测量也会崩溃。
本文介绍了测量系统固件的描述，主要分为两部分。该报告侧重于固件的每个部分，以说明在进行测量时所使用的测量和通信过程。第一部分介绍测量过程及其算法，该过程分为四个基本模块。下一节重点介绍与上层（PC）和下层（MCU）的通信过程，分为四个基本模块。
- 测量系统
测量系统主要有三组：上层“ PC”，下层“ MCU”和传感器“激光，编码器”（图1）。该系统的主要目标是使用用户预定义的步骤（z轴上的分辨率）扫描所请求的对象。每个传感器都有其误差，但是在校准过程中，可以对其进行估算并进行适当过滤。
该测量系统有两种工作模式：校准和操作。测量链的校准解决了校准过程，此外，系统还重置了扫描头的位置。校准过程是提高整个系统精度的得力工具。通常，除了提到的复位外，操作模式与校准模式具有相同的行为。测量单元等待上层（PC）发送开始、停止或重置测量的命令。
2.1 测量链
图1. 测量链（校准模式）
图1所示为测量链，由两个阴影千分尺、两个编码器、测量单元和PC组成。在校准过程中，测量头仅沿水平方向移动。垂直编码器（x轴）返回恒定值，测量系统用两个千分尺的测量值替换该值。在操作模式下，编码器向我们提供扫描头在两个方向（水平和垂直）上的位置信息。阴影千分尺扫描物体表面，控制系统将其结果传输到一个联合空间中。
2.2 测量单元-校准过程
测量核心部分是微控制器单元(MCU) STM32F429，用于初始化使用过的传感器（激光器）或内部外设（UART、定时器、PWM等）、通信模块Nano SocketLAN等。主板有4个RS485、2个RJ45编码器连接器、8个24V输入，8个输出(GND) 、4个输出(TTL)，以及辅助电路。
图2. 测量单元
2.3 测量单元固件
图3. 固件描述：测量过程
仪器将无限循环等待适当的命令以开始测量。当本机收到开始测量的命令时，在校准模式下，它将首先重置位置。否则，它将等待沿正确扫描方向（从右到左）的移动。如果检测到运动，则设备开始测量原始点并决定是从一组原始点创建测量点还是继续收集原始点。
通过启动命令，该单元从上层接收有关所请求的测量点的点间距的信息。一个称为点间距的参数是一个圆准则，它可以解决原始点是否属于给定的测量点还是创建一个新点的问题。图4说明了使用上述点间距标准从一组原始点创建测量点。
图4. 创建测量点（AVG位置）
该单元必须负责与上层的通信（图5）。该单元使用直接内存访问（DMA）外围设备以接收或发送数据包。所选方法不消耗处理器接收或发送数据包的功率。
图5. 固件描述：接收和发送数据
当检测到传入数据包的末尾时，接收算法将设置一个用户标志，处理器将稍后处理接收到的数据包。如果需要，该单元在处理接收到的数据包之后准备应答。数据包完成后，该单元使用DMA外设发送数据包。该设备将继续创建测量，而无需等待传输结束。
- 通信接口及局域网模块说明
通信外设在各种测量设备中起着至关重要的作用。在理想情况下，通过它们传输数据（命令、测量值等）必须没有任何失真、中断等。
3.1带DMA的UART
UART外设是标准的MCU通信接口，DMA控制器与DMA外设一起以“外设到存储器”和“存储器到外设”的方式工作，DMA控制器可降低通信过程中MCU的负载。图5和图6都显示了DMA外设使用的工作模式。在我们的例子中，DMA外设控制MCU和设备之间的数据流。这种方法提高了通信速度、可靠性、鲁棒性和并行处理能力。
图6. DMA-外设到内存模式（意法半导体公司，2019）
外设到内存模式控制从连接的设备接收传入消息的方式（图6）。UART指示通过中断标志接收到单个字节，该中断标志通过DMA控制器自动处理，接收到的字节装入FIFO缓冲区。通信数据包包括通知DMA有关传入消息长度的字节。当接收到适当数量的字节时，DMA控制器开始将整个消息从缓冲区复制到内存中。 DMA控制器通过用户标志通知控制算法传输结束。
图7. DMA-内存到外设模式（意法半导体公司，2019）
内存到外设的工作方式几乎与上述模式相同（图7）。控制算法首先将整个结果消息准备到特定的用户定义的存储位置中，并通过中断标志向DMA控制器发出该消息已准备好发送的信号。然后，DMA控制器自动开始逐字节发送整个结果消息，并且控制算法可以继续其活动。
3.2 Nano SocketLAN模块
独立的通信模块Nano SocketLAN是串行到局域网的转换器。该设备可以作为网桥或服务器，通信速度为10 / 100Mbit。它包括iChip CO2144 IP通信控制器芯片和10 / 100BaseT以太网物理层。
用户使用高级AT i命令设置模块参数以实现所需的行为，如服务器、网桥、通信速度、通信类型、缓冲区大小等。在我们的例子中，我们以串行模式使用模块通过MCU与UART外设进行稳定的通信时，速度为1.5Mbps（模块允许的最大速度为3Mbps）。
图8. 通信模块Nano SocketLAN
- 测量系统的反馈
测量系统直接取决于反馈的质量。例如，关于所用传感器的分辨率、可重复性或耐用性（Smutnyacute;等，2009）。几个激光扫描被测物体。编码器测量测量头的位置，从而产生整个系统的反馈。以下是所用传感器的简要说明。
4.1 激光器RF651-60 / 25
激光器RF651是一种非接触式测量设备，可以检查被扫描物体边缘的直径、间隙、位移或位置（图9）。所选激光器的测量范围为25 mm，接收器和发射器之间的间隙为60 mm，其他参数见表1。这些激光以刀模式工作，激光在其测量范围内检测被扫描物体的边缘。
图9. RF651（Riftek传感器和仪器，2018）
发射器向接收器发射相干光，在接收器中评估阴影和光束之间的过渡（Jones，1976）。如果在传感器和接收器之间有物体，它会反射一部分光束，并且传感器会测量物体边缘的光影过渡的位置。
表1. RF651参数（Riftek传感器和仪器，2018）
4.2 编码器ESSE SR 5800
在x轴和z轴上有两个编码器，用于识别测量头的平移（图10）。校准过程仅使用z轴上的测量值，而x轴方向上的坐标不变。
图10. 编码器SR5800（ESSA s.r.o.，2019）
这些是工业增量式编码器，有两个光电通道A和B，用于测量角度位置，以及一个用于分度的通道（图11）。此外，每个通道都有自己的否定对。 一个360度的旋转对应5 mm的偏移，并且由于此传感器每旋转一圈产生5000个脉冲，因此一个脉冲对应于1 micro;m的偏移。
图11.工业编码器输出。（ESSA s.r.o.，2019）
- 通信包说明
每个具有通信接口的智能设备都有其通信包的形式，用于与给定设备通信。请参阅下面对控制单元和激光器以及带有控制单元的pc之间的通信包的说明。
5.1单片机-激光器通信
MCU通过UART外设与激光器通信（使用DMA控制器），并控制数据流作为主设备，激光响应作为从设备（图12）。用户可以通过多种方式读取所需的参数，例如光器的地址、通信速度、获取或设置参数等。在使用激光之前，需要将它们设置为适当的测量模式、设置平均数、通信速度等。激光器以四联格式与特定形式进行通信。
图12. 单片机和激光器之间的通信
激光将消息部分的每个字节分成两个字节，其中最高有效位还包含诸如循环二进制批处理计数器（CNT）或更新结果（SB）等的标志（图13）。
图13. 激光的数据包格式
此外，请求格式具有所请求字节的地址和代码。激光器使用请求数据包的第一个字节来同步通信。只有在这种情况下，最高有效位才等于0（图13）。
5.2 PC-MCU通信
MCU通过UART外设与PC通信（使用DMA控制器）。 PC作为主机控制数据流，而MCU作为从机响应（图14）。 PC在读取方法（结果、误差、设备状态等）或开始/结束测量等方面具有多种可能性。
图14. PC与MCU之间的通信
通信数据包具有通用格式，其中常量报头用作数据包的前缀，随后是有关数据包总长度或消息类型的信息，例如获取状态、开始扫描等（图14）。 MCU以如下形式（图15）响应PC请求“获取状态”，其中MCU发送整个测量系统的状态。
图15. PC和MCU之间的数据包格式
- 同步数据采集
图16. 并行通信同步数据采集
先前的数据采集解决方案并不令人满意。在测量过程中，激光器有时在预定时间内没有响应。逐字节读取数据包会浪费MCU的性能，每个接收到的字节都会产生一个中断标志。来自激光的消息的接收过程中，当来自PC的传入消息到达时，这种通信方式会随机崩溃。目前的解决方案是使用DMA控制器来解决上述问题，DMA控制器代替单片机来处理整个通信过程。
MCU同时执行两个激光器的读取。当激光接收到对测量数据的查询请求时，它将锁存电流测量，执行结果的平均值，并将结果发送到MCU。激光器制造商将查询数据的最大响应时间定义为40ns。如果激光器在最大预设时间内没有响应，控制系统会跳过当前测量并尝试进行新的尝试，当10次测量中有2次失败时，系统会以错误消息响应并停止当前测量。 MCU会在循环缓冲区中收集数据约20秒。每当PC请求数据并且MCU已经测量了所请求的新测量数量时，MCU会尽快发送这些数据。
图17. 并行通信（激光通道1,2，PC-MCU 3,4）
图17展示了正在进行的测量，MCU从两个激光器收集数据并同时与PC通信。 MCU在通道3上发送160个测量值，其中一个测量值包含来自两个编码器2x4B和激光器2x2B的数据。总长度为1920B（测量值） 7B（报头、大小和消息类型，CRC）。通道4包含来自PC的请求，其中定义了数据包中的数据量和首次测量的起始索引。与PC的通信速度为1.5 Mbps，与激光的通信速度为56.7Kbps，要慢得多。图17显示了在示波器屏幕上通过通道4 PC与MCU之间的一种数据传输。
- 结论
本文介绍了用于检测各种物体形状的测量链。该系统由PC机、MCU、两个激光测微仪和两个编码器组成。
文中还介绍了控制单元及其外围设备的概念，重点介绍了通信接口UART，以及DMA控制器和外部LAN模块。
测量单元的内部功能/行为使并行处理操作成为可能，在该过程中，该单元可以无延迟地收集测量结果，并同时响应上层请求（启动、停止、重置测量、请求数据等）。最后，使用显示并行数据采集操作的示波器评估通信过程。
致谢
略
参考文献
略
基于STM32的红外传感器监控系统的设计与研究
摘要——针对目前的安全系统不能快速响应远程报警的问题，开发了一种基于STM32和GSM/GPRS技术的远程监控系统。报警信号被发送到邮箱或用户手机，实际应用结果表明，该系统稳定、响应速度快、性能高，可广泛应用于家庭和企业。
关键词——单片机；红外传感器；GSM/GPRS
- 引言
随着社会经济的发展，家庭安全受到越来越多的关注。安全形势仍然比较复杂，经常发生盗窃案。传统的报警系统只能实现局部报警，而且无法记录犯罪证据，无法迅速抓获嫌疑人。在某些特殊情况下，例如无人看管的设备和仓库并不需要一直监视，这只是在有人入侵然后发送警报信号时获取信号。
能够快速响应
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