CN108829284A - 一种基于嵌入式系统的多元数据采集系统 - Google Patents

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莫卓锐
卢允子
何德峰
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Abstract

一种基于嵌入式系统的多元数据采集系统，所述系统包括控制芯片、矩阵键盘、TFT触摸屏、三轴加速度计、摇杆、ZigBee发送模块和ZigBee接收模块，所述矩阵键盘、TFT触摸屏、三轴加速度计、摇杆均与控制芯片连接，所述控制芯片与ZigBee发送模块连接，所述ZigBee发送模块与所述ZigBee接收模块通信连接，所述ZigBee接收模块与PC端连接。本发明提供了一种数据类型丰富、适用性较好的基于嵌入式系统的多元数据采集系统。

Description

一种基于嵌入式系统的多元数据采集系统
技术领域
本发明属于基于嵌入式数据采集及通信领域，涉及单片机嵌入式ZigBee通信技术、PC端串口通信技术及多传感器数据采集系统设计等技术。
背景技术
传感器是指“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
传感器技术是现传感器技术是现代科技的前沿技术，许多国家已将传感器技术与通信技术和计算机技术列为同等重要的位置，称之为信息技术的三大支柱之一。传感器技术作为国内外公认的具有发展前途的高新技术，正得到空前迅速的发展，并且在相当多的领域被越来越广泛地利用。目前，全世界约有40个国家从事传感器的研制、生产和应用开发，研发机构达6000余家，其中以美、德、日、俄等国实力较强。"SENSOR+TEST”传感器展览会与“SENSORSEXPO”传感器展览交流会是欧洲和北美地区最大和最专业的传感器和传感器系统集成展会，汇集欧州与美国的绝大部分传感器与仪表制造厂商，其展出产品在很大程度上代表了当前全球范围内先进传感器的发展趋势。
发明内容
为了克服已有数据采集系统的数据类型单一、适用性较差的不足，本发明提供了一种数据类型丰富、适用性较好的基于嵌入式系统的多元数据采集系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于嵌入式系统的多元数据采集系统，所述系统包括控制芯片、矩阵键盘、TFT触摸屏、三轴加速度计、摇杆、ZigBee发送模块和ZigBee接收模块，所述矩阵键盘、TFT触摸屏、三轴加速度计、摇杆均与控制芯片连接，所述控制芯片与ZigBee发送模块连接，所述ZigBee发送模块与所述ZigBee接收模块通信连接，所述ZigBee接收模块与PC端连接。
进一步，所述矩阵键盘中，根据矩阵键盘DataSheet可知，在按键没有按下的时候输出均为高电平，当按键按下的时候，如果PP2引脚输入高电平，则PD0引脚输出也为高电平；如果PP2引脚输入低电平，则PD0引脚输出也为低电平；通过任选一行进行低电平设置，并扫描四个输出端即可知道该行哪一个按键被按下；
采用延时消抖算法：当检测到按键被按下之后，先进性延时，然后再检测该按键是否还是按下状态，如果是，则判为按下该按键；否则不作处理。
再进一步，所述TFT触摸屏中，屏幕触点坐标计算方法：
计算Y坐标，在Y+电极施加驱动电压Vdrive，Y-电极接地，X+作为引出端测量得到接触点的电压，由于ITO层均匀导电，触点电压与Vdrive电压之比等于触点Y坐标与屏高度之比；
计算X坐标，在X+电极施加驱动电压Vdrive，X-电极接地，Y+做为引出端测量得到接触点的电压，由于ITO层均匀导电，触点电压与Vdrive电压之比等于触点X坐标与屏宽度之比；
测得的电压由ADC转化为数字信号，作为坐标判断触点的实际位置；
采用5点中值滤波，即当前时刻的x坐标将由前4个时刻的点的x坐标和当前时刻实际采集到的x坐标中值决定，当前时刻的y坐标将由前4个时刻的点的y坐标和当前时刻实际采集到的y坐标中值决定。
所述三轴加速度计是开发板自带的三轴加速度计，利用I2C总线协议芯片获取的三轴加速度计的返回数据为三个2字节的数据，分别对应X、Y、Z轴的加速度值，加速度值转换为欧拉角的公式如下：
如果芯片水平静置，X、Y方向的重力分量为0g，而Z轴方向的重力分量为g，此时，X＝0；Y＝0；Z＝g；
如果各边与水平方向有一些夹角，X轴方向的加速度大小为Ax，其与水平线的夹角为α1，与重力加速度的夹角α；同理，Y轴方向的加速度为Ay，与水平线的加速度为β1，与重力加速度g的夹角为β；Z轴方向的加速度为Az，与水平线的加速度为γ1，与重力加速度g的夹角为γ；
基于夹角概念，它们的关系为α＝90度-α1，β＝90度-β1，γ＝90度-γ1。
g在各轴方向上的分量为：Ax＝gcosα，Ay＝gcosβ，Az＝gcosγ；将3中数据代入得：Ax＝gcosα＝gcos(90度-α1)＝gsinα1，同理Ay＝gsinβ1，Az＝gsinγ1，其中各垂直虚线的大小为：g*g＝Ax*Ax+gcosα1*gcosα1，则gcosα1＝squr(g*g-Ax*Ax)，gcosβ1＝squr(g*g-Ay*Ay)，gcosγ1＝squr(g*g-Az*Az；
根据立体几何中，g相当于立方体的对角线，Ax、Ay、Az相当于三条边，虚线大小等于Ay*Ay+Az*Az，所以根据勾股定理Ax*Ax+Ay*Ay+Az*Az＝g*g；
sinα1＝Ax/g，cosα1＝squr(g*g-Ax*Ax)/g，那么，
tanα1＝(Ax/g)/[squr(g*g-Ax*Ax)/g]＝Ax/squr(g*g-Ax*Ax)＝Ax/
squr(Ay*Ay+Az*Az)，同理
tanβ1＝Ay/squr(Ax*Ax+Az*Az),tanγ1＝Az/squr(Ax*Ax+Ay*Ay)；
最后得出ADXL345加速度传感器值与角速度值的关系为：tanα1＝Ax/squr(Ay*Ay+Az*Az)，tanβ1＝Ay/squr(Ax*Ax+Az*Az)，tanγ1＝Az/squr(Ax*Ax+Ay*Ay)；
其中α1、β1、γ1分别是X、Y、Z轴和水平线的角速度值即弧度值，Ax、Ay、Az是三个轴上的加速度值；
那么弧度值分别为：
α1＝arctan(Ax/squr(Ay*Ay+Az*Az))
β1＝arctan(Ay/squr(Ax*Ax+Az*Az))
γ1＝arctan(Az/squr(Ax*Ax+Ay*Ay))
接下来就得使用数据公式：弧度＝θπR/180，这样算得θ＝弧度*180/πR，其中R取1，最后得到的各轴的角度值分别为：
θx＝α1*180/π＝[arctan(Ax/squr(Ay*Ay+Az*Az))]*180/π
θy＝β1*180/π＝[arctan(Ay/squr(Ax*Ax+Az*Az))]*180/π
θz＝γ1*180/π＝[arctan(Az/squr(Ax*Ax+Ay*Ay))]*180/π。
所述摇杆内部是两个电位器，摇动摇杆会使其输出电阻发生变化，由于电阻分压，所以其输出的电压也会随之变换，因此通过检测S-X和S-Y引脚的电压即可知道摇杆摇动的信息；
通过两个ADC模块把模拟电压转换成数字电压，通过比较获取的电压和设定的阈值进行比较，从而得出摇杆的摇动信息。
所述ZigBee发送模块和ZigBee接收模块均采用ZigBee模块，利用ZigBee模块来进行单片机与PC机之间的数据通信，配对成功以后便可以用ZigBee进行通信；
在控制芯片端，ZigBee利用UART进行串口通信；在PC端，利用串口助手来接收单片机的数据，以实现检验串口是否可用和传感器所检测到的数据是否正确。
所述控制芯片为TM4C1294芯片。
本发明中，利用德州仪器(TexasInstruments)公司的TM4C1294这款基于ARMCortexTM-M4的处理器，结合矩阵键盘，TFT触摸屏，摇杆，三轴加速度计等一系列外部设备，实现对多元数据的有效采集，并利用ZigBee无线通信技术进行通信，将数据传回上位机
本发明的有益效果主要表现在：数据类型丰富、适用性较好。
附图说明
图1是基于嵌入式系统的多元数据采集系统的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1，一种基于嵌入式系统的多元数据采集系统，包括：
矩阵键盘，根据矩阵键盘DataSheet可知，在按键没有按下的时候输出均为高电平，当按键按下的时候(如按键J1)，如果PP2引脚(即ROW1_IN)输入高电平，则PD0引脚(COL1_OUT)输出也为高电平；如果PP2引脚输入低电平，则PD0引脚输出也为低电平。通过任选一行进行低电平设置，并扫描四个输出端即可知道该行哪一个按键被按下。
在实际情况中，按键按下的时候存在一定的抖动，在本发明中采用延时消抖算法：当检测到按键被按下之后，先进性延时，然后再检测该按键是否还是按下状态，如果是，则判为按下该按键；否则不作处理。
TFT触摸屏，屏幕触点坐标计算方法：
计算Y坐标，在Y+电极施加驱动电压Vdrive，Y-电极接地，X+作为引出端测量得到接触点的电压，由于ITO层均匀导电，触点电压与Vdrive电压之比等于触点Y坐标与屏高度之比。
计算X坐标，在X+电极施加驱动电压Vdrive，X-电极接地，Y+做为引出端测量得到接触点的电压，由于ITO层均匀导电，触点电压与Vdrive电压之比等于触点X坐标与屏宽度之比。
测得的电压由ADC转化为数字信号，再进行简单处理就可以作为坐标判断触点的实际位置。
在实际情况中，TFT屏幕触点坐标存在随机误差，因此需要减小误差影响，根据误差的特性，我们采用的算法是5点中值滤波，即当前时刻的x坐标将由前4个时刻的点的x坐标和当前时刻实际采集到的x坐标中值决定，当前时刻的y坐标将由前4个时刻的点的y坐标和当前时刻实际采集到的y坐标中值决定。
三轴加速度计，三轴加速度计是TM4C1294芯片开发板自带的三轴加速度计，利用I2C总线协议芯片可以获取的三轴加速度计的返回数据为三个2字节的数据，分别对应X、Y、Z轴的加速度值，加速度值转换为欧拉角的公式如下：
如果芯片水平静置，X、Y方向的重力分量为0g，而Z轴方向的重力分量为g，此时，X＝0；Y＝0；Z＝g
如果各边与水平方向有一些夹角，X轴方向的加速度大小为Ax，其与水平线的夹角为α1，与重力加速度的夹角α；同理，Y轴方向的加速度为Ay，与水平线的加速度为β1，与重力加速度g的夹角为β；Z轴方向的加速度为Az，与水平线的加速度为γ1，与重力加速度g的夹角为γ。
基于夹角概念，它们的关系为α＝90度-α1，β＝90度-β1，γ＝90度-γ1。
g在各轴方向上的分量为：Ax＝gcosα，Ay＝gcosβ，Az＝gcosγ；将3中数据代入得：Ax＝gcosα＝gcos(90度-α1)＝gsinα1，同理Ay＝gsinβ1，Az＝gsinγ1。(其中各垂直虚线的大小为：g*g＝Ax*Ax+gcosα1*gcosα1，则gcosα1＝squr(g*g-Ax*Ax)，gcosβ1＝squr(g*g-Ay*Ay)，gcosγ1＝squr(g*g-Az*Az))勾股定理和三角函数的应用。
根据立体几何中，g相当于立方体的对角线，Ax、Ay、Az相当于三条边，虚线大小等于Ay*Ay+Az*Az，所以根据勾股定理Ax*Ax+Ay*Ay+Az*Az＝g*g
sinα1＝Ax/g，cosα1＝squr(g*g-Ax*Ax)/g，那么，
tanα1＝(Ax/g)/[squr(g*g-Ax*Ax)/g]＝Ax/squr(g*g-Ax*Ax)＝Ax/
squr(Ay*Ay+Az*Az)。同理
tanβ1＝Ay/squr(Ax*Ax+Az*Az),tanγ1＝Az/squr(Ax*Ax+Ay*Ay)。
最后得出ADXL345加速度传感器值与角速度值(弧度)的关系为：tanα1＝Ax/squr(Ay*Ay+Az*Az)，tanβ1＝Ay/squr(Ax*Ax+Az*Az)，tanγ1＝Az/squr(Ax*Ax+Ay*Ay)。
其中α1、β1、γ1分别是X、Y、Z轴和水平线的角速度值即弧度值，Ax、Ay、Az是三个轴上的加速度值。
那么弧度值分别为：
α1＝arctan(Ax/squr(Ay*Ay+Az*Az))
β1＝arctan(Ay/squr(Ax*Ax+Az*Az))
γ1＝arctan(Az/squr(Ax*Ax+Ay*Ay))
接下来就得使用数据公式：弧度＝θπR/180。这样算得θ＝弧度*180/πR，其中R取1。最后得到的各轴的角度值分别为：
θx＝α1*180/π＝[arctan(Ax/squr(Ay*Ay+Az*Az))]*180/π
θy＝β1*180/π＝[arctan(Ay/squr(Ax*Ax+Az*Az))]*180/π
θz＝γ1*180/π＝[arctan(Az/squr(Ax*Ax+Ay*Ay))]*180/π
摇杆，用于获取上下左右和中键信息；
摇杆内部是两个电位器，摇动摇杆会使其输出电阻发生变化，由于电阻分压，所以其输出的电压也会随之变换，因此通过检测S-X和S-Y引脚的电压即可知道摇杆摇动的信息。具体是通过两个ADC模块把模拟电压转换成数字电压。通过比较获取的电压和设定的阈值进行比较，从而得出摇杆的摇动信息。
ZigBee模块，利用ZigBee模块来进行单片机与PC机之间的数据通信，配对成功以后便可以用ZigBee进行通信。
在单片机端，ZigBee利用UART进行串口通信。在PC端，利用串口助手来接收单片机的数据，以实现检验串口是否可用和传感器所检测到的数据是否正确。
本实施例的工作过程为：
①利用USB先接通多元数据采集系统的电源。
②打开电脑预先安装好的串口助手。
③在电脑上位机中打开ZigBee对应的串口，连接成功即可。
④按照正确的配对方法配对ZigBee模块，成功连接即可。
⑤在矩阵键盘中按下一个按键，假设该按键处于x行y列，则上位机接收到为(x-1)*4+y。
⑥在TFT触摸屏上在一个点施加压力，假设该点处于x行y列，则上位机接收到为(x-1)*320+y。
⑦将TM4C1294芯片开发板随意转动，上位机接收到其三个欧拉角的角度值。
⑧摇动摇杆，如果位置偏左且偏上，上位机接收到”NW”的信号；如果位置偏左且偏下，上位机接收到”SW”的信号；如果位置偏右且偏上，上位机接收到”NE”的信号；如果位置偏右且偏下，上位机接收到”SE”的信号。

Claims (7)

1.一种基于嵌入式系统的多元数据采集系统，其特征在于，所述系统包括控制芯片、矩阵键盘、TFT触摸屏、三轴加速度计、摇杆、ZigBee发送模块和ZigBee接收模块，所述矩阵键盘、TFT触摸屏、三轴加速度计、摇杆均与控制芯片连接，所述控制芯片与ZigBee发送模块连接，所述ZigBee发送模块与所述ZigBee接收模块通信连接，所述ZigBee接收模块与PC端连接。
2.如权利要求1所述的基于嵌入式系统的多元数据采集系统，其特征在于，所述矩阵键盘中，根据矩阵键盘DataSheet可知，在按键没有按下的时候输出均为高电平，当按键按下的时候，如果PP2引脚输入高电平，则PD0引脚输出也为高电平；如果PP2引脚输入低电平，则PD0引脚输出也为低电平；通过任选一行进行低电平设置，并扫描四个输出端即可知道该行哪一个按键被按下；
采用延时消抖算法：当检测到按键被按下之后，先进性延时，然后再检测该按键是否还是按下状态，如果是，则判为按下该按键；否则不作处理。
3.如权利要求1或2所述的基于嵌入式系统的多元数据采集系统，其特征在于，所述TFT触摸屏中，屏幕触点坐标计算方法：
计算Y坐标，在Y+电极施加驱动电压Vdrive，Y-电极接地，X+作为引出端测量得到接触点的电压，由于ITO层均匀导电，触点电压与Vdrive电压之比等于触点Y坐标与屏高度之比；
计算X坐标，在X+电极施加驱动电压Vdrive，X-电极接地，Y+做为引出端测量得到接触点的电压，由于ITO层均匀导电，触点电压与Vdrive电压之比等于触点X坐标与屏宽度之比；
测得的电压由ADC转化为数字信号，作为坐标判断触点的实际位置；
采用5点中值滤波，即当前时刻的x坐标将由前4个时刻的点的x坐标和当前时刻实际采集到的x坐标中值决定，当前时刻的y坐标将由前4个时刻的点的y坐标和当前时刻实际采集到的y坐标中值决定。
4.如权利要求1或2所述的基于嵌入式系统的多元数据采集系统，其特征在于，所述三轴加速度计是开发板自带的三轴加速度计，利用I2C总线协议芯片获取的三轴加速度计的返回数据为三个2字节的数据，分别对应X、Y、Z轴的加速度值，加速度值转换为欧拉角的公式如下：
如果芯片水平静置，X、Y方向的重力分量为0g，而Z轴方向的重力分量为g，此时，X＝0；Y＝0；Z＝g；
如果各边与水平方向有一些夹角，X轴方向的加速度大小为Ax，其与水平线的夹角为α1，与重力加速度的夹角α；同理，Y轴方向的加速度为Ay，与水平线的加速度为β1，与重力加速度g的夹角为β；Z轴方向的加速度为Az，与水平线的加速度为γ1，与重力加速度g的夹角为γ；
基于夹角概念，它们的关系为α＝90度-α1，β＝90度-β1，γ＝90度-γ1。
g在各轴方向上的分量为：Ax＝gcosα，Ay＝gcosβ，Az＝gcosγ；将3中数据代入得：Ax＝gcosα＝gcos(90度-α1)＝gsinα1，同理Ay＝gsinβ1，Az＝gsinγ1，其中各垂直虚线的大小为：g*g＝Ax*Ax+gcosα1*gcosα1，则gcosα1＝squr(g*g-Ax*Ax)，gcosβ1＝squr(g*g-Ay*Ay)，gcosγ1＝squr(g*g-Az*Az；
根据立体几何中，g相当于立方体的对角线，Ax、Ay、Az相当于三条边，虚线大小等于Ay*Ay+Az*Az，所以根据勾股定理Ax*Ax+Ay*Ay+Az*Az＝g*g；
sinα1＝Ax/g，cosα1＝squr(g*g-Ax*Ax)/g，那么，
tanα1＝(Ax/g)/[squr(g*g-Ax*Ax)/g]＝Ax/squr(g*g-Ax*Ax)＝Ax/squr(Ay*Ay+Az*Az)，同理
tanβ1＝Ay/squr(Ax*Ax+Az*Az),tanγ1＝Az/squr(Ax*Ax+Ay*Ay)；
最后得出ADXL345加速度传感器值与角速度值的关系为：tanα1＝Ax/squr(Ay*Ay+Az*Az)，tanβ1＝Ay/squr(Ax*Ax+Az*Az)，tanγ1＝Az/squr(Ax*Ax+Ay*Ay)；
其中α1、β1、γ1分别是X、Y、Z轴和水平线的角速度值即弧度值，Ax、Ay、Az是三个轴上的加速度值；
那么弧度值分别为：
α1＝arctan(Ax/squr(Ay*Ay+Az*Az))
β1＝arctan(Ay/squr(Ax*Ax+Az*Az))
γ1＝arctan(Az/squr(Ax*Ax+Ay*Ay))
接下来就得使用数据公式：弧度＝θπR/180，这样算得θ＝弧度*180/πR，其中R取1，最后得到的各轴的角度值分别为：
θx＝α1*180/π＝[arctan(Ax/squr(Ay*Ay+Az*Az))]*180/π
θy＝β1*180/π＝[arctan(Ay/squr(Ax*Ax+Az*Az))]*180/π
θz＝γ1*180/π＝[arctan(Az/squr(Ax*Ax+Ay*Ay))]*180/π。
5.如权利要求1或2所述的基于嵌入式系统的多元数据采集系统，其特征在于，所述摇杆内部是两个电位器，摇动摇杆会使其输出电阻发生变化，由于电阻分压，所以其输出的电压也会随之变换，因此通过检测S-X和S-Y引脚的电压即可知道摇杆摇动的信息；
通过两个ADC模块把模拟电压转换成数字电压，通过比较获取的电压和设定的阈值进行比较，从而得出摇杆的摇动信息。
6.如权利要求1或2所述的基于嵌入式系统的多元数据采集系统，其特征在于，所述ZigBee发送模块和ZigBee接收模块均采用ZigBee模块，利用ZigBee模块来进行单片机与PC机之间的数据通信，配对成功以后便可以用ZigBee进行通信；
在控制芯片端，ZigBee利用UART进行串口通信；在PC端，利用串口助手来接收单片机的数据，以实现检验串口是否可用和传感器所检测到的数据是否正确。
7.如权利要求1或2所述的基于嵌入式系统的多元数据采集系统，其特征在于，所述控制芯片为TM4C1294芯片。
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