三軸加速度測(cè)試器上位機(jī)開(kāi)發(fā)研究

金明祺++王國(guó)慶++李繼方

摘 要：開(kāi)發(fā)了一種三軸加速度測(cè)試器的上位機(jī)軟件，該軟件包括數(shù)據(jù)擦除、時(shí)間設(shè)置、數(shù)據(jù)接收以及數(shù)據(jù)分析4個(gè)功能模塊。具有數(shù)據(jù)平滑及融合，圖片信息保存及導(dǎo)出功能。其中，數(shù)據(jù)平滑通過(guò)FIR濾波器實(shí)現(xiàn)，并可合理選擇窗函數(shù)類(lèi)型實(shí)現(xiàn)最優(yōu)平滑效果；數(shù)據(jù)融合策略采用三軸加速度加權(quán)平均融合，以獲取三軸加速度的同步矢量和峰值；圖片信息處理采用C++類(lèi)庫(kù)中的TeeChart畫(huà)圖工具實(shí)現(xiàn)，具有方便快捷特點(diǎn)；通過(guò)系統(tǒng)功能的調(diào)試與測(cè)試，驗(yàn)證了上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：FIR濾波器 數(shù)據(jù)融合 調(diào)試與測(cè)試

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）08（c）-0009-03

Abstract： The Upper computer software is exploited to process data collecting from a three axis acceleration

recorder. This software has four functional modules including data erasure， time setting， data reception and data

analysis. Data analysis module has ability in aspect of data processing such as smoothness， fusion and export.

Moreover， the FIR filter is introduced for the optimal smooth effect via selecting reasonable window-function

types. Finally， vector sum of three axis acceleration is calculated by weighted average fusion method. Since using

TeeChart class library of C++， our software have visualization， convenient and flexible characteristic. Effectivenessof our design is verified by experiments.

Key Words： FIR filter； Data fusion； Debugging and experiments

三軸加速度測(cè)試器能夠記錄存儲(chǔ)加速度等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，通過(guò)相應(yīng)的上位機(jī)軟件做詳細(xì)分析提取出受力情況詳情，以此來(lái)對(duì)物資包裝進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整和改進(jìn)，為物資安全運(yùn)輸保駕護(hù)航[1]，現(xiàn)有三軸加速度測(cè)試器通常采用單片機(jī)主控芯片，串口通信模式進(jìn)行上下機(jī)信息傳遞，具有價(jià)格便宜、功耗低，體積小巧等優(yōu)點(diǎn)[2]。但由于采用串口通信模式，造成數(shù)據(jù)傳輸速率過(guò)低[3]，無(wú)法保證高頻次實(shí)驗(yàn)需求。針對(duì)上述需求，因此迫切需要設(shè)計(jì)新型三軸加速度測(cè)試器，進(jìn)而提出了新的上位機(jī)開(kāi)發(fā)要求。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件要求USB接口方式，下位機(jī)采集的三軸加速度信息，通過(guò)USB端口傳送到上位機(jī)并保存到指定文件夾。主要分為四大功能模塊：數(shù)據(jù)擦除、時(shí)間設(shè)置、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)分析。如圖1所示。

系統(tǒng)基本功能有以下幾種。

1.1 數(shù)據(jù)擦除

采集次數(shù)達(dá)到三次時(shí)，若重新采集信息時(shí)需對(duì)采集的數(shù)據(jù)擦除。擦除的方式有兩種：（1）冷擦除，持續(xù)壓下位機(jī)的擦除鍵10s，擦除指示燈燈閃爍顯示。（2）熱擦除，單擊數(shù)據(jù)擦除按鈕可以完成對(duì)下位機(jī)采集信息擦除。

1.2 時(shí)間設(shè)置

單擊時(shí)間設(shè)置按鈕可以實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)采集分鐘數(shù)的設(shè)置。

1.3 數(shù)據(jù)接收

通過(guò)USB端口接收微控制器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。用戶(hù)可以在選擇組數(shù)這一欄中選擇接收數(shù)據(jù)組號(hào)，并把這組數(shù)據(jù)保存到程序提前設(shè)置好路徑中。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析的功能是對(duì)數(shù)據(jù)接收的文本文檔操作，當(dāng)點(diǎn)擊數(shù)據(jù)分析按鈕時(shí)會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能界面，主要有輔助分析、保存圖片、保存Excel與數(shù)據(jù)平滑等功能。研究發(fā)現(xiàn)，雖然采樣信息在下位機(jī)已經(jīng)做過(guò)低通濾波處理，仍難以滿足數(shù)據(jù)處理進(jìn)度及穩(wěn)健性需求。因此，數(shù)據(jù)接收后，需經(jīng)由低通濾波器處理。低通濾波器采用有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器（FI R）實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)IR濾波器[4]是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中最基本的元件，它可以在保證任意幅頻特性的同時(shí)，且具有嚴(yán)格的線性相頻特性，同時(shí)由于其有限長(zhǎng)單位抽樣響應(yīng)，可以確保濾波器系統(tǒng)的穩(wěn)定性。FIR濾波器，可用如下差分方程來(lái)描述：

（1）

其中，為上位機(jī)接收的數(shù)據(jù)，為輸出序列，為待設(shè)計(jì)的N點(diǎn)濾波器單位脈沖響應(yīng)。由于沖擊信號(hào)為含有高頻雜波的低頻信號(hào)，依據(jù)下位機(jī)采樣頻率、沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、并考慮奈奎斯特采樣定理約束，分別采用7點(diǎn)矩形和三角窗低通濾波器設(shè)計(jì)，其幅頻響應(yīng)如圖2所示，具體參數(shù)如表1所示。

研究發(fā)現(xiàn)，三維沖擊的矢量和為影響設(shè)備安全的關(guān)鍵因素，因此需將三維測(cè)量值轉(zhuǎn)化為矢量和進(jìn)行沖擊力評(píng)估，轉(zhuǎn)化方式采用常規(guī)歐式距離計(jì)算方法，如（2）式所示。

（2）

其中表示n時(shí)刻三軸加速度的矢量和（i=1，2，3）分別表示經(jīng)FIR濾波器輸出的軸的加速度。

2 系統(tǒng)功能調(diào)試及實(shí)驗(yàn)測(cè)試

當(dāng)完成系統(tǒng)硬件組裝、軟件設(shè)計(jì)，便進(jìn)入開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的調(diào)試階段。系統(tǒng)調(diào)試是檢查設(shè)計(jì)系統(tǒng)中硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)中存在的不足之處，最終達(dá)到期望效果使系統(tǒng)正常工作。利用VC++軟件調(diào)試程序?qū)⒊绦蚍庋b后生成執(zhí)行文件。

如圖3的上位機(jī)軟件初始界面效果圖所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)首先將下位機(jī)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)擦除且設(shè)置好采集分鐘數(shù)，然后連接下位機(jī)和傳感器，并將下位機(jī)用軟氣泡袋包裝（防止下位機(jī)因振動(dòng)損壞）。在投擲下位機(jī)設(shè)備前，點(diǎn)擊下位機(jī)電源鍵開(kāi)始采集信息，并通過(guò)無(wú)人機(jī)將整個(gè)過(guò)程利用拍照或視頻軟件記錄。下位機(jī)獲取三軸加速度信息后，將其通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到上位機(jī)USB接口，進(jìn)而執(zhí)行上位機(jī)軟件接收數(shù)據(jù)。通過(guò)端口號(hào)和數(shù)組選擇，接收指定數(shù)據(jù)組，數(shù)據(jù)傳輸界面圖如圖4所示。

數(shù)據(jù)分析是對(duì)信息采集的驗(yàn)證階段。圖5為三軸加速度記錄儀系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析界面，包括復(fù)選通道、放大圖形、保存圖片、平滑數(shù)據(jù)以及保存為Excel等功能。

3 結(jié)語(yǔ)

三軸加速度記錄儀是一款對(duì)空投物資狀態(tài)信息進(jìn)行記錄存儲(chǔ)分析的專(zhuān)業(yè)儀器。本設(shè)計(jì)以應(yīng)急救災(zāi)和快遞運(yùn)輸為背景，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)三軸加速度記錄儀的上位機(jī)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

介紹了上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)方法，簡(jiǎn)要說(shuō)明了上位機(jī)界面。該系統(tǒng)的特點(diǎn)主要有：四大模塊功能相對(duì)獨(dú)立，耦合度低，軟件結(jié)構(gòu)清晰、合理；軟件界面趨于理性化，操作比較方便，可擴(kuò)展性好。最后，對(duì)設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明該軟件運(yùn)行穩(wěn)定、可靠高，滿足了設(shè)計(jì)需求。

參考文獻(xiàn)

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