1. 上位機(jī)開發(fā)的意義
常見的上位機(jī)定義為一臺可以發(fā)出特定操控命令的計算機(jī)，通過操作預(yù)先設(shè)定好的命令，將命令傳遞給下位機(jī)，通過下位機(jī)來控制設(shè)備完成各項操作。此定義著重于強(qiáng)調(diào)控制指令的發(fā)送，實(shí)際上除了發(fā)送控制命令，上位機(jī)還能提供許多額外的功能：
a. 可視化功能
上位機(jī)位于MCU與使用者之間，在MCU軟件開發(fā)過程中，通常直接處理控制數(shù)據(jù)，優(yōu)先考慮處理的實(shí)時性與能耗，對于數(shù)據(jù)的易于理解性及可視化程度不作考慮。MCU處理的數(shù)據(jù)雖然能夠通過串口或者其他方式輸出，但是直接輸出的數(shù)據(jù)可讀性較差，不利于直觀的理解。上位機(jī)能夠首先對MCU的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化為易于理解的方式在顯示屏上展現(xiàn)。
b. 數(shù)據(jù)高速處理能力
大多數(shù)MCU實(shí)時性好，但計算能力較弱。上位機(jī)具有較強(qiáng)的計算能力，但實(shí)時性較弱。因此，利用MCU采集數(shù)據(jù)并發(fā)送至上位機(jī)處理能夠充分發(fā)揮雙方優(yōu)勢。
c. 算法仿真能力
在進(jìn)行嵌入式開發(fā)時，我們需要搭建平臺，每次的軟件修改都需要使用專門的工具進(jìn)行燒寫與調(diào)試，相比PC端軟件開發(fā)更為繁瑣，不利于調(diào)試。因此，可以將MCU采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，在PC端進(jìn)行算法的驗(yàn)證，直到滿足需求后再在MCU上進(jìn)行測試，可以縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。
2. 基本需求
在【004】基于STM32標(biāo)準(zhǔn)庫的IMU9250數(shù)據(jù)讀取和【005】基于STM32標(biāo)準(zhǔn)庫IMU9250數(shù)據(jù)讀取(二)文中，我們基于STM32F429XXMCU成功讀取了加速度計、陀螺儀、磁力計的原始數(shù)據(jù)，這里我們希望上位機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：
實(shí)時獲取MCU采集的原始數(shù)據(jù);
以曲線的方式動態(tài)顯示加速度計、陀螺儀、磁力計數(shù)據(jù);
以3D的方式動態(tài)顯示歐拉角-Roll，Pitch，Yaw;
提供算法仿真驗(yàn)證能力。
3. 上位機(jī)開發(fā)
3.1 開發(fā)環(huán)境
對于上位機(jī)開發(fā)有許多開發(fā)環(huán)境可選，例如：MFC、Qt、Matlab、C#等。每種開發(fā)環(huán)境適用場合不同，例如MFC在Windows平臺具有較強(qiáng)的通用性，在較老的計算機(jī)中也能夠運(yùn)行。Qt支持跨平臺，能夠在Windows、Linux等多個平臺上運(yùn)行。Matlab開發(fā)簡單方便，適合矩陣向量的計算。這里我們選用Qt作為開發(fā)環(huán)境，同時使用QCustomPlot來實(shí)現(xiàn)加速度計、陀螺儀、磁力計數(shù)據(jù)的動態(tài)繪制，使用qextserialport作為串口通信的API。
3.2 通信方式
上位機(jī)與下位機(jī)常見的通信方式有：串口通信、SPI通信、以太網(wǎng)通信等。串口通信速率較低，設(shè)備便宜，易于開發(fā)。以太網(wǎng)通信速率高，開發(fā)難度較高。SPI通信速率高于串口通信，但通常需要USB轉(zhuǎn)SPI設(shè)備。這里選用串口作為上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信方式。
3.3 簡單協(xié)議
設(shè)置簡單的協(xié)議是為了讓上位機(jī)能夠準(zhǔn)確、及時、高效地獲取MCU采集的數(shù)據(jù)，這里我們采用的簡單協(xié)議如圖1所示。
圖1 簡單通信協(xié)議
在此協(xié)議中，0xFF 0xFF為上位機(jī)的數(shù)據(jù)頭，COM為控制指令用于實(shí)現(xiàn)請求數(shù)據(jù)(0x01)等任務(wù)。MCU在收到請求數(shù)據(jù)指令后，將會計算當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)個數(shù)(或組數(shù))，然后發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機(jī)。在此過程中0xFF 0xFE為下位機(jī)數(shù)據(jù)頭，N為當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)個數(shù)(或組數(shù))。
為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的先入先出，我們需要實(shí)現(xiàn)隊列結(jié)構(gòu)，一共需要三個隊列：一個用于存儲MCU的采集數(shù)據(jù)，一個用于存儲上位機(jī)收到的數(shù)據(jù)，還有一個用于存儲MCU收到上位機(jī)發(fā)來的控制指令。這里我們采用環(huán)形隊列，它是在寫程序時候一種隊列的特殊表達(dá)方式，把隊列數(shù)據(jù)組中的最后一個元素和第一個元素相連構(gòu)成環(huán)，所以稱為環(huán)形隊列。環(huán)形隊列在C/C++編程中首元素出隊后不需要把隊列所有元素向前移動，而取代把把隊首指針向后移動，由于其環(huán)形結(jié)構(gòu)，在插入元素后隊尾指針會循環(huán)到隊首原來的位置。相對普通隊列的出隊操作減少了大量的運(yùn)算量。程序如下：
uint8_t RawDataQueueBuffer[QUEUE_SIZE];
uint16_t QueueHead, QueueTail, QueueLength;
void RawDataQueueBuffer_Init()
{
QueueHead = 0;
QueueTail = 0;
QueueLength = 0;
}
uint8_t PushQueue(uint8_t Val)
{
RawDataQueueBuffer[QueueTail] = Val;
QueueTail++;
QueueTail = QueueTail % QUEUE_SIZE;
QueueLength++;
if (QueueLength > QUEUE_SIZE)
{
QueueLength = QUEUE_SIZE;
}
return 0;
}
uint8_t PopQueue(uint8_t *Val)
{
if (QueueLength > 0)
{
*Val = RawDataQueueBuffer[QueueHead];
QueueHead++;
QueueHead = QueueHead % QUEUE_SIZE;
QueueLength--;
return 0;
}
else
{
return 255;
}
}
MCU采用中斷的方式將上位機(jī)數(shù)據(jù)存至對應(yīng)的隊列并將指令校驗(yàn)標(biāo)志置一，同樣采用中斷的方式將進(jìn)行IMU數(shù)據(jù)采集。采用輪詢的方式檢測相應(yīng)標(biāo)志是否為一，若為一則進(jìn)行相應(yīng)操作并清零該標(biāo)志位，對應(yīng)過程如圖2所示。
圖2 MCU簡單協(xié)議處理流程
對應(yīng)代碼如下：
uint8_t MPU6050_Task()
{
while(1)
{
// if (TaskFlag_GetData == 1)
// {
// //Clear_PCF_Status();
// MPU6050_Get_RawData();
// TaskFlag_GetData = 0;
// }
if (TaskFlag_CheckData == 1)
{
switch (Check_Command(USART_QueueBuffer))
{
case 0:
MPU6050_Send_Data();
break;
default:
;
}
TaskFlag_CheckData = 0;
}
}
return 0;
}
uint8_t Check_Command(uint8_t *Buffer)
{
if ((Buffer[(USART_QueueTail - 3 + 3) % 3] == 0xFF) && (Buffer[(USART_QueueTail - 2 + 3) % 3] == 0xFE))
{
return Buffer[(USART_QueueTail - 1 + 3) % 3];
}
else
{
return 255;
}
}
int main(void)
{
Blinking_GPIO_Init();
MPU6050_Init();
Clear_PCF_Status();
MPU6050_Task();
return 0;
}
中斷服務(wù)程序代碼：
extern uint8_t TaskFlag_GetData;
extern uint8_t TaskFlag_CheckData;
void USART2_IRQHandler(void)
{
if(USART_GetITStatus(USART2, USART_IT_RXNE))
{
USART_PushQueue((uint8_t)USART_ReceiveData(USART2));
TaskFlag_CheckData = 1;
}
}
uint16_t cnt;
void EXTI15_10_IRQHandler(void)
{
if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line12) != RESET)
{
TaskFlag_GetData = 1;
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line12);
MPU6050_Get_RawData();
cnt++;
if (cnt == 20)
{
cnt = 0;
GPIO_ToggleBits(GPIOB, GPIO_Pin_1);
}
}
}
3.4上位機(jī)效果
最終上位機(jī)初步效果如圖3所示，包含基本的串口參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)顯示，將MCU采集的IMU數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后分別以文字、曲線、圖像的方式形象展示。
圖3 上位機(jī)初步效果
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