三軸加速度測試器上位機開發(fā)研究

金明祺++王國慶++李繼方

摘 要：開發(fā)了一種三軸加速度測試器的上位機軟件，該軟件包括數(shù)據(jù)擦除、時間設置、數(shù)據(jù)接收以及數(shù)據(jù)分析4個功能模塊。具有數(shù)據(jù)平滑及融合，圖片信息保存及導出功能。其中，數(shù)據(jù)平滑通過FIR濾波器實現(xiàn)，并可合理選擇窗函數(shù)類型實現(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++類庫中的TeeChart畫圖工具實現(xiàn)，具有方便快捷特點；通過系統(tǒng)功能的調(diào)試與測試，驗證了上位機系統(tǒng)設計的可行性。

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

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：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

三軸加速度測試器能夠記錄存儲加速度等運動狀態(tài)信息，通過相應的上位機軟件做詳細分析提取出受力情況詳情，以此來對物資包裝進行相應調(diào)整和改進，為物資安全運輸保駕護航[1]，現(xiàn)有三軸加速度測試器通常采用單片機主控芯片，串口通信模式進行上下機信息傳遞，具有價格便宜、功耗低，體積小巧等優(yōu)點[2]。但由于采用串口通信模式，造成數(shù)據(jù)傳輸速率過低[3]，無法保證高頻次實驗需求。針對上述需求，因此迫切需要設計新型三軸加速度測試器，進而提出了新的上位機開發(fā)要求。

1 系統(tǒng)總體方案設計

上位機軟件要求USB接口方式，下位機采集的三軸加速度信息，通過USB端口傳送到上位機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、時間設置、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)達到三次時，若重新采集信息時需對采集的數(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下位機采集信息擦除。

1.2 時間設置

單擊時間設置按鈕可以實現(xiàn)對下位機采集分鐘數(shù)的設置。

1.3 數(shù)據(jù)接收

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

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析的功能是對數(shù)據(jù)接收的文本文檔操作，當點擊數(shù)據(jù)分析按鈕時會出現(xiàn)對應的功能界面，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已經(jīng)做過低通濾波處理，仍難以滿足數(shù)據(jù)處理進度及穩(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單位沖激響應濾波器（FI R）實現(xiàn)，F(xiàn)IR濾波器[4]是數(shù)字信號處理系統(tǒng)中最基本的元件，它可以在保證任意幅頻特性的同時，且具有嚴格的線性相頻特性，同時由于其有限長單位抽樣響應，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描述：

（1）

其中，為上位機接收的數(shù)據(jù)，為輸出序列，為待設計的N點濾波器單位脈沖響應。由于沖擊信號為含有高頻雜波的低頻信號，依據(jù)下位機采樣頻率、沖擊實驗數(shù)據(jù)、并考慮奈奎斯特采樣定理約束，分別采用7點矩形和三角窗低通濾波器設計，其幅頻響應如圖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備安全的關(guān)鍵因素，因此需將三維測量值轉(zhuǎn)化為矢量和進行沖擊力評估，轉(zhuǎn)化方式采用常規(guī)歐式距離計算方法，如（2）式所示。

（2）

其中表示n時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)試及實驗測試

當完成系統(tǒng)硬件組裝、軟件設計，便進入開發(fā)系統(tǒng)的調(diào)試階段。系統(tǒng)調(diào)試是檢查設計系統(tǒng)中硬件設計和軟件設計中存在的不足之處，最終達到期望效果使系統(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的上位機軟件初始界面效果圖所示。

實驗時首先將下位機的存儲數(shù)據(jù)擦除且設置好采集分鐘數(shù)，然后連接下位機和傳感器，并將下位機用軟氣泡袋包裝（防止下位機因振動損壞）。在投擲下位機設備前，點擊下位機電源鍵開始采集信息，并通過無人機將整個過程利用拍照或視頻軟件記錄。下位機獲取三軸加速度信息后，將其通過數(shù)據(jù)線連接到上位機USB接口，進而執(zhí)行上位機軟件接收數(shù)據(jù)。通過端口號和數(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)分析是對信息采集的驗證階段。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

三軸加速度記錄儀是一款對空投物資狀態(tài)信息進行記錄存儲分析的專業(yè)儀器。本設計以應急救災和快遞運輸為背景，結(jié)合當前技術(shù)和經(jīng)驗對三軸加速度記錄儀的上位機軟件進行了設計。

介紹了上位機軟件的設計思路及實現(xiàn)方法，簡要說明了上位機界面。該系統(tǒng)的特點主要有：四大模塊功能相對獨立，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，可擴展性好。最后，對設計的上位機軟件進行了實驗測試，結(jié)果表明該軟件運行穩(wěn)定、可靠高，滿足了設計需求。

參考文獻

[1] 周小紅.空投救災物資的數(shù)學模型及其最優(yōu)方案[J].學園：教育科研，2012（24）：75.

[2] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[3] 王靜.基于單片機的數(shù)據(jù)串口通信[D].長江大學，2013.

[4] 周偉林，周鮮成，李清峰.FIR濾波器的軟件仿真與硬件實現(xiàn)[J].微計算機信息，2009（4）：222-224.endprint