如何搭建一个简易方便的数据采集分析系统？

背景:

对于一些需要快速验证传感器性能,或者某些实验需要快速采集数据并且需要直观显示成波形或者图片, 搭建一个简易方便的数据采集分析系统是有必要的.
本文主要介绍以下几个方面:
数据采集整体框架.
Pc使用python设定相关参数: fs, 采样点数 采样时间 etc..
MCU使用自带ADC 根据pc设定的采样率fs进行采集后通过uart将数据回传.
Python可以直接对数据简单处理,或者保存成csv方便导入matlab进行更进一步数据分析.
Ex1: ADC规则组同时采集 ADC dual channel mode cfg.(strict sample multiple channel at same time)
Ex2: ADC采样率自动配置 adc sample rate automatic cfg.

Py & mcu 自定简易通信协议. eg:

• Py send ‘#f=1000’, ‘#sc=1024’       (此处表示采样率1000hz, 采样点数1024)
  
• Mcu 解析uart接收的命令. 配置参数后进行采样. 在采样完成的DMA传输完成IRQ里(使用DMA可以提高最大采样速率)将数据上传upload.
  

串口助手抓到的数据格式(字符串, 假设我这里是2个通道同时采样)
采集adc值 + 换行
adc1 , adc2 + ’rn’
123,333124,334120,330xxx,xxx


Python实现简易串口读写与存储.

1. 环境搭建: (打开命令行cmd.exe,  输入以下命令安装serial模块)

1	pip install serial

2. 开始写代码: 打开串口, 读写操作
包含头文件 import serial

import serialser = serial.Serial('com19', 115200) #按照参数打开串口ser.set_buffer_size(rx_size=20480) #为了设置合适的缓冲区if ser.isOpen():            #检查打开成功        print('open port successful')data = b'f=' + bytes(fs, encoding='ascii') + b'rn'    ser.write(data) # only bytes array is supported.lines = '' #所有的行while True: # 在这里阻塞2s等待, 读取rx buffer的数据    time.sleep(2)    cnt = ser.inWaiting() # bytes to read in rx buffer     if (cnt > 0):        data = ser.read(cnt)        lines = str(data, encoding='ascii') # 转码成字符串        break

3. 保存成csv . 用于存档或者导入MATLAB等其他数据分析处理软件

csv_file = open(f_name + '.csv' , 'w') # 创建并打开一个文件csv_file.write(lines) # 如果接收时已经是csv格式可以直接写入for i in range(len(adc1)):    # 或者解析成list后再按需存入    csv_file.write(adc1 + ',' + adc2 + 'n')csv_file.close() # 写完记得关闭.

4.简单的python绘图 - matplotlib

0. 安装matplotlib
pip install matplotlib1.导入并使用它的pylab来绘图

import matplotlib.pylab as pllines = str(lines, encoding='ascii').splitlines()  #.split('rn')light_cnt = len(lines) # 光强数据长度print('cnt = ', light_cnt)light_data = [] # 光强数据 for line in lines: # 分割成一行一行, 每行2个数据    # if line is not '':    light_data.append(int(line))    print(int(line))N = light_cntaxis_x = np.linspace(1, N, num=N)pl.plot(axis_x, light_data)pl.title('charge time= %dms' % charge_time)pl.show()
更详细绘图代码参考简单操作 - matlab 绘多个子图相关

1. 同一张图绘制多条曲线:
plot(y1);
Hold on;
plot(y2);
2. 同一个页面绘制多张图用于对比:
figure(1); %创建画布.
subplot(1, 2, 1);%在1行*2列里,画第1个图
subplot(1, 2, i);
%在1行*2列的格子画第i个图 ,1
例如subplot(2, 3, i)就是这样的.i=1~6
简单操作 - matlab 读取 csv文件

1 2 3 4 5

M = csvread(csv_name); %返回M是一个矩阵. M(:,1) %可以取第一列.(ch1的数据) :表示所有行 M(:,2) %可以取第二列, 以此类推. plot(M); %按默认 画出图 title( ['f=' num2str(freq)]) %画图后title函数用于加上格式化的标题

Ex1: ADC dual channel mode cfg.(strictly sample multiple channel at same time)

多ADC同时规则采样配置(严格的同时,同一时钟边沿采样)步骤 (单ADC在同一时间最多只能采样1个channel)

• stm32f4支持最多3ADC同时采样,称为dual mode/ triple mode.
  
• 多ADC时, ADC1=master, ADC2/3 = slave.
  

　　　　只可能存在2种搭配,dual:ADC1+ADC2. Triple:ADC1+ADC2+ADC3.
　　　　多ADC无法同时采集同一个pin.
　　3. 如果开启DMA传输, 只需要为master(也就是ADC1) 配置即可.
　　　　Slave会由master进行触发转换.
　　　　DMA的src data addr 配置成专门的ADC-CDR 寄存器.
　　　　单个data size = word. 在dual mode时, 相当于ADC1+ADC2分别在高半字和低半字

Ex2: adc sample rate automatic cfg.

要计算ADC采样率, 需要单次转换所需时钟周期tc cycle和ADC时钟频率 fa.
单次转换cycle = sampling cycle + n-bit resolution cycle.
例如配置为 3 sampling cycle, 12bit采样时, 总共需要的转换时间= 15cycle.也就是每15个ADC clock 可以采样一次.
然后对于STM32F4, ADC clock 来自APB2 clock. 于是fa与APB2分频值APB2_clk_div以及ADC配置的ADC_CLK_DIV相关.
将这些所有可能的分频值adc_div, apb2_clk_div与单次转换周期tc组合起来,可以构成i*j*k种组合方式,用for来遍历计算.然后取手册上可行的ADC clock范围(0.6M~36Mhz)来计算可以所有算出可配置的ADC采样率fs.

背景:

对于一些需要快速验证传感器性能,或者某些实验需要快速采集数据并且需要直观显示成波形或者图片, 搭建一个简易方便的数据采集分析系统是有必要的.
本文主要介绍以下几个方面:
数据采集整体框架.
Pc使用python设定相关参数: fs, 采样点数 采样时间 etc..
MCU使用自带ADC 根据pc设定的采样率fs进行采集后通过uart将数据回传.
Python可以直接对数据简单处理,或者保存成csv方便导入matlab进行更进一步数据分析.
Ex1: ADC规则组同时采集 ADC dual channel mode cfg.(strict sample multiple channel at same time)
Ex2: ADC采样率自动配置 adc sample rate automatic cfg.

Py & mcu 自定简易通信协议. eg:

• Py send ‘#f=1000’, ‘#sc=1024’       (此处表示采样率1000hz, 采样点数1024)
  
• Mcu 解析uart接收的命令. 配置参数后进行采样. 在采样完成的DMA传输完成IRQ里(使用DMA可以提高最大采样速率)将数据上传upload.
  

串口助手抓到的数据格式(字符串, 假设我这里是2个通道同时采样)
采集adc值 + 换行
adc1 , adc2 + ’rn’
123,333124,334120,330xxx,xxx


Python实现简易串口读写与存储.

1. 环境搭建: (打开命令行cmd.exe,  输入以下命令安装serial模块)

1	pip install serial

2. 开始写代码: 打开串口, 读写操作
包含头文件 import serial

import serialser = serial.Serial('com19', 115200) #按照参数打开串口ser.set_buffer_size(rx_size=20480) #为了设置合适的缓冲区if ser.isOpen():            #检查打开成功        print('open port successful')data = b'f=' + bytes(fs, encoding='ascii') + b'rn'    ser.write(data) # only bytes array is supported.lines = '' #所有的行while True: # 在这里阻塞2s等待, 读取rx buffer的数据    time.sleep(2)    cnt = ser.inWaiting() # bytes to read in rx buffer     if (cnt > 0):        data = ser.read(cnt)        lines = str(data, encoding='ascii') # 转码成字符串        break

3. 保存成csv . 用于存档或者导入MATLAB等其他数据分析处理软件

csv_file = open(f_name + '.csv' , 'w') # 创建并打开一个文件csv_file.write(lines) # 如果接收时已经是csv格式可以直接写入for i in range(len(adc1)):    # 或者解析成list后再按需存入    csv_file.write(adc1 + ',' + adc2 + 'n')csv_file.close() # 写完记得关闭.

4.简单的python绘图 - matplotlib

0. 安装matplotlib
pip install matplotlib1.导入并使用它的pylab来绘图

import matplotlib.pylab as pllines = str(lines, encoding='ascii').splitlines()  #.split('rn')light_cnt = len(lines) # 光强数据长度print('cnt = ', light_cnt)light_data = [] # 光强数据 for line in lines: # 分割成一行一行, 每行2个数据    # if line is not '':    light_data.append(int(line))    print(int(line))N = light_cntaxis_x = np.linspace(1, N, num=N)pl.plot(axis_x, light_data)pl.title('charge time= %dms' % charge_time)pl.show()
更详细绘图代码参考简单操作 - matlab 绘多个子图相关

1. 同一张图绘制多条曲线:
plot(y1);
Hold on;
plot(y2);
2. 同一个页面绘制多张图用于对比:
figure(1); %创建画布.
subplot(1, 2, 1);%在1行*2列里,画第1个图
subplot(1, 2, i);
%在1行*2列的格子画第i个图 ,1
例如subplot(2, 3, i)就是这样的.i=1~6
简单操作 - matlab 读取 csv文件

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M = csvread(csv_name); %返回M是一个矩阵. M(:,1) %可以取第一列.(ch1的数据) :表示所有行 M(:,2) %可以取第二列, 以此类推. plot(M); %按默认 画出图 title( ['f=' num2str(freq)]) %画图后title函数用于加上格式化的标题

Ex1: ADC dual channel mode cfg.(strictly sample multiple channel at same time)

多ADC同时规则采样配置(严格的同时,同一时钟边沿采样)步骤 (单ADC在同一时间最多只能采样1个channel)

• stm32f4支持最多3ADC同时采样,称为dual mode/ triple mode.
  
• 多ADC时, ADC1=master, ADC2/3 = slave.
  

　　　　只可能存在2种搭配,dual:ADC1+ADC2. Triple:ADC1+ADC2+ADC3.
　　　　多ADC无法同时采集同一个pin.
　　3. 如果开启DMA传输, 只需要为master(也就是ADC1) 配置即可.
　　　　Slave会由master进行触发转换.
　　　　DMA的src data addr 配置成专门的ADC-CDR 寄存器.
　　　　单个data size = word. 在dual mode时, 相当于ADC1+ADC2分别在高半字和低半字

Ex2: adc sample rate automatic cfg.

要计算ADC采样率, 需要单次转换所需时钟周期tc cycle和ADC时钟频率 fa.
单次转换cycle = sampling cycle + n-bit resolution cycle.
例如配置为 3 sampling cycle, 12bit采样时, 总共需要的转换时间= 15cycle.也就是每15个ADC clock 可以采样一次.
然后对于STM32F4, ADC clock 来自APB2 clock. 于是fa与APB2分频值APB2_clk_div以及ADC配置的ADC_CLK_DIV相关.
将这些所有可能的分频值adc_div, apb2_clk_div与单次转换周期tc组合起来,可以构成i*j*k种组合方式,用for来遍历计算.然后取手册上可行的ADC clock范围(0.6M~36Mhz)来计算可以所有算出可配置的ADC采样率fs.

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