【《单片机控制的静力水准仪系统软件设计及调试案例探析》2400字】

单片机控制的静力水准仪系统软件设计及调试案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u3815单片机控制的静力水准仪系统软件设计及调试案例分析 1254891软件设计 259381.1软件总体设计 2171191.2CCD驱动程序的设计 366191.3ZigBee软件部分的设计 6158271.4LabVIEW上位机的程序设计 8292682系统调试 10250942.1线阵CCD调试 1014382.2总体调试 10软件设计软件总体设计软件的总体设计主要涉及到线阵CCD驱动程序、数据传输程序和LabVIEW上位机程序设计，通过串口进行各部分的连接。软件的总体设计框图如图4.1所示：图4.1系统软件总体框图本设计的系统程序主要涉及以下几个部分CCD驱动程序的设计：主要是对TCD1304传感器进行驱动，使之能够正常运行，进行数据采集。Zigbee软件部分的设计：主要主要讲ZigBee协调器和终端组网，是为了实现数据从处理单元到显示单元的通讯。数据显示程序的设计：为的是实现数据的对比分析和直观显示，并且设置了报警阈值，使得竖直沉降值更为清晰明了。CCD驱动程序的设计如图4.2所示是TCD1304的整体时序要求（摘自TCD1304DGdatasheet）。从图中可以看出，SH（shiftgate）脉冲用于控制积分时间，相邻SH脉冲下降沿之间的间隔就是积分时间。ICG（积分清除门,integrationcleargate）负脉冲则控制开始clockout模拟输出的时间，在idle状态下，ICG为高电位，负脉冲发生时ICG电位被拉低。ϕM为时钟输入信号，OS为模拟输出端，ICG负脉冲结束后，OS开始依次输出各个像素上的值。比较ϕM的时序和OS的时序，可以看到每4个时钟周期OS输出一个像素上的值，即对于TCD1304来说完成一次像素间的电荷转移需要的时间可以看作4个时钟周期[16]。图4.2TCD1304的整体时序要求图4.3TCD1304的具体时序要求图4.2未给出具体的时序要求。具体的时序要求如图4.3所示(也摘自TCD1304APdatasheet)。从图中我们知道如下的要求：在初始状态，ICG引脚为高电位，SH引脚为低电位，时钟信号正常工作CCD的一个工作周期从ICG负脉冲的下降沿开始ICG负脉冲下降沿后推迟500ns为SH脉冲的上升沿SH脉冲至少持续1000nsSH脉冲结束后，ICG负脉冲再推迟5000ns后结束ICG负脉冲结束时，时钟信号必须为高电位图4.4TCD1304的驱动脉冲相位关系图首先我们配置CCD所需的时钟信号，该信号由MCU上第二个计时器TIM2的第一个频道CH1输出到PA0引脚。我们首先设置TIM2时钟的ClockSource为InternalClock，Channel1的模式设置为PWMGenerationCH1。由于之前设置的工作主频是72MHz而CCD时钟需要的频率是2MHz，因此，CCD时钟的ARR值应设为ARR = 72/2 − 1 = 35，时钟信号的dutycycle为50％，故CCR的值应设为CCR = 36/2 − 1 = 17[17]。SH信号由TIM3CH1输出到PA6引脚，设置TIM1时钟的ClockSource为InternalClock，Channel1的模式设置为PWMGenerationCH1，同时，由于线阵CCD的典型的积分时间是在ms量级，在72MHz频率下，1ms=72000个周期。而STM32F103RCT6的计时器均为16bit计时器，其最大值为216 − 1 = 65535，如果直接使用计时器的PWM输出，脉冲周期甚至不能达到1ms。因此，我们将这个计时器设置为One-PulseMode。SH脉冲的长度我们设置为4μs,即288个周期，延迟500ns+100周期，为36+100=136个周期，故设置CCR = 136, ARR = 288 + 136 = 424即可[18]。ICG信号所需的负脉冲则由TIM1CH1输出到PA8引脚，同样设置TIM1时钟的ClockSource为InternalClock，Channel1的模式设置为PWMGenerationCH1，同时设置One-PulseMode。脉冲长度为9μs,即648个周期，延迟100周期，故设置CCR=100,ARR=648+100=748即可[19]。ZigBee软件部分的设计本设计中传感器采集的数据发送至STM32，而STM32与ZigBee终端节点相连，ZigBee终端节点通过ZigBee远程通信将数据传给ZigBee协调器，以此将数据传到上位机。本设计设置了四个终端节点，即可以同时对多点进行测量。本设计的重点在于协调器与多个终端组网。由网络协调器启动ZigBee网络的初始化，首先，我们要组件网络就要对网络节点进行判定，该节点是都已经连接了其他网络系统，若是已经存在与其他网络的连接，那么我们称此节点为本网络的子节点。图4.5ZigBee网络初始化流程图ZigBee入网流程较为复杂，分为四个部分，入网前准备、Beacon、开始入网、Transportkey(NWKkey)，需要注意的是，ZigBee信道为11~26，一般考虑效率和与WiFi信道干扰问题[20]，会选择几条优先信道（如11、15、20、25）进行扫网，并且要看CSMA.CA信道访问能否成功以及协调器向上层发送连接指示原语时，判断资源能否足够。图4.6ZigBee入网流程图作为一个兼容无线收发器，RF内核的控制使得ZigBee的无线模块能够实现较好的模拟。并且，ZigBee还给无线设备和MCU提供了一个接口，实现先发送命令，再对其状态进行读取，完成自动操作以及确保无线设备事件按序进行[21]。LabVIEW上位机的程序设计该上位机读取协调器收到的多组数据，并将这些数据进行整合显示，实时显示各个传感器的数据，并采用波形进行显示。上位机界面的设计由四个数字波形图来显示波形，用I/O口和布尔灯来连接和显示串口状态，实时显示测点位置，和垂直沉降状态。图4.7上位机前面板设计图后面板总体为平铺顺序结构，第一个框图设置串口为默认值，并用布尔灯显示状态。主程序框图以While循环不断运行，其中四个局部变量连接四个属性节点，对前面板上的开始采集、打开串口、退出三个控件进行读写操作。开始采集按钮连接选择结构，判断串口正确继续运行。扫描串口信息，创建了液位信息四个显示控件，再串联四个信号收集器，将数据实时显示在波形图控件上，使测量点1作为基准值，其余测量点的数值使用比较控件与其数值进行对比，使用逻辑并，当任何一个测量点与基准值相差大于等于1000时，警报指示灯亮。建筑物垂直沉降超过200mm则会有一定程度的坍塌风险，因此设置警报阈值为1000。串口选择错误则不会有任何显示。选择结构里面嵌套一个顺序结构，执行完前面的主程序，即完成数据的采集，会弹出是否保存数据的对话框，选择是，则会保存在专门的文件夹。图4.8整体流程图系统调试线阵CCD调试线阵CCD的调试主要是其驱动和检测的调试，首先将驱动程序烧录至STM32单片机芯片内，使用线阵CCD驱动板通过USBTOTTL模块连接到电脑端，使用XCOM2.0串口，发送@a0001#@[22]，使用单条发送，波特率设置值为115200，打开串口，点击发送，得到光强和液位边界信息。图5.1串口显示总体调试总体调试是一个完整的项目必不可少的部分，部分调试正常说明部分设计能够正常运行，总体调试再对各部分的连接传输进行测试，测试结果正常才能证明项目完成。该系统总体设计使用了3个CCD传感器，对应两个驱动板和一个完整的线阵CCD-TCD1304模块，一个一字激光器，三段