單片機控制的靜力水準儀系統(tǒng)軟件設(shè)計及調(diào)試案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u3815單片機控制的靜力水準儀系統(tǒng)軟件設(shè)計及調(diào)試案例分析 1254891軟件設(shè)計 259381.1軟件總體設(shè)計 2171191.2CCD驅(qū)動程序的設(shè)計 366191.3ZigBee軟件部分的設(shè)計 6158271.4LabVIEW上位機的程序設(shè)計 8292682系統(tǒng)調(diào)試 10250942.1線陣CCD調(diào)試 1014382.2總體調(diào)試 10軟件設(shè)計軟件總體設(shè)計軟件的總體設(shè)計主要涉及到線陣CCD驅(qū)動程序、數(shù)據(jù)傳輸程序和LabVIEW上位機程序設(shè)計，通過串口進行各部分的連接。軟件的總體設(shè)計框圖如圖4.1所示：圖4.1系統(tǒng)軟件總體框圖本設(shè)計的系統(tǒng)程序主要涉及以下幾個部分CCD驅(qū)動程序的設(shè)計：主要是對TCD1304傳感器進行驅(qū)動，使之能夠正常運行，進行數(shù)據(jù)采集。Zigbee軟件部分的設(shè)計：主要主要講ZigBee協(xié)調(diào)器和終端組網(wǎng)，是為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)從處理單元到顯示單元的通訊。數(shù)據(jù)顯示程序的設(shè)計：為的是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的對比分析和直觀顯示，并且設(shè)置了報警閾值，使得豎直沉降值更為清晰明了。CCD驅(qū)動程序的設(shè)計如圖4.2所示是TCD1304的整體時序要求（摘自TCD1304DGdatasheet）。從圖中可以看出，SH（shiftgate）脈沖用于控制積分時間，相鄰SH脈沖下降沿之間的間隔就是積分時間。ICG（積分清除門,integrationcleargate）負脈沖則控制開始clockout模擬輸出的時間，在idle狀態(tài)下，ICG為高電位，負脈沖發(fā)生時ICG電位被拉低。?M為時鐘輸入信號，OS為模擬輸出端，ICG負脈沖結(jié)束后，OS開始依次輸出各個像素上的值。比較?M的時序和OS的時序，可以看到每4個時鐘周期OS輸出一個像素上的值，即對于TCD1304來說完成一次像素間的電荷轉(zhuǎn)移需要的時間可以看作4個時鐘周期[16]。圖4.2TCD1304的整體時序要求圖4.3TCD1304的具體時序要求圖4.2未給出具體的時序要求。具體的時序要求如圖4.3所示(也摘自TCD1304APdatasheet)。從圖中我們知道如下的要求：在初始狀態(tài)，ICG引腳為高電位，SH引腳為低電位，時鐘信號正常工作CCD的一個工作周期從ICG負脈沖的下降沿開始ICG負脈沖下降沿后推遲500ns為SH脈沖的上升沿SH脈沖至少持續(xù)1000nsSH脈沖結(jié)束后，ICG負脈沖再推遲5000ns后結(jié)束ICG負脈沖結(jié)束時，時鐘信號必須為高電位圖4.4TCD1304的驅(qū)動脈沖相位關(guān)系圖首先我們配置CCD所需的時鐘信號，該信號由MCU上第二個計時器TIM2的第一個頻道CH1輸出到PA0引腳。我們首先設(shè)置TIM2時鐘的ClockSource為InternalClock，Channel1的模式設(shè)置為PWMGenerationCH1。由于之前設(shè)置的工作主頻是72MHz而CCD時鐘需要的頻率是2MHz，因此，CCD時鐘的ARR值應設(shè)為ARR?=?72/2???1?=?35，時鐘信號的dutycycle為50％，故CCR的值應設(shè)為CCR?=?36/2???1?=?17[17]。SH信號由TIM3CH1輸出到PA6引腳，設(shè)置TIM1時鐘的ClockSource為InternalClock，Channel1的模式設(shè)置為PWMGenerationCH1，同時，由于線陣CCD的典型的積分時間是在ms量級，在72MHz頻率下，1ms=72000個周期。而STM32F103RCT6的計時器均為16bit計時器，其最大值為216???1?=?65535，如果直接使用計時器的PWM輸出，脈沖周期甚至不能達到1ms。因此，我們將這個計時器設(shè)置為One-PulseMode。SH脈沖的長度我們設(shè)置為4μs,即288個周期，延遲500ns+100周期，為36+100=136個周期，故設(shè)置CCR?=?136,?ARR?=?288?+?136?=?424即可[18]。ICG信號所需的負脈沖則由TIM1CH1輸出到PA8引腳，同樣設(shè)置TIM1時鐘的ClockSource為InternalClock，Channel1的模式設(shè)置為PWMGenerationCH1，同時設(shè)置One-PulseMode。脈沖長度為9μs,即648個周期，延遲100周期，故設(shè)置CCR=100,ARR=648+100=748即可[19]。ZigBee軟件部分的設(shè)計本設(shè)計中傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至STM32，而STM32與ZigBee終端節(jié)點相連，ZigBee終端節(jié)點通過ZigBee遠程通信將數(shù)據(jù)傳給ZigBee協(xié)調(diào)器，以此將數(shù)據(jù)傳到上位機。本設(shè)計設(shè)置了四個終端節(jié)點，即可以同時對多點進行測量。本設(shè)計的重點在于協(xié)調(diào)器與多個終端組網(wǎng)。由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器啟動ZigBee網(wǎng)絡(luò)的初始化，首先，我們要組件網(wǎng)絡(luò)就要對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行判定，該節(jié)點是都已經(jīng)連接了其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，若是已經(jīng)存在與其他網(wǎng)絡(luò)的連接，那么我們稱此節(jié)點為本網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點。圖4.5ZigBee網(wǎng)絡(luò)初始化流程圖ZigBee入網(wǎng)流程較為復雜，分為四個部分，入網(wǎng)前準備、Beacon、開始入網(wǎng)、Transportkey(NWKkey)，需要注意的是，ZigBee信道為11~26，一般考慮效率和與WiFi信道干擾問題[20]，會選擇幾條優(yōu)先信道（如11、15、20、25）進行掃網(wǎng)，并且要看CSMA.CA信道訪問能否成功以及協(xié)調(diào)器向上層發(fā)送連接指示原語時，判斷資源能否足夠。圖4.6ZigBee入網(wǎng)流程圖作為一個兼容無線收發(fā)器，RF內(nèi)核的控制使得ZigBee的無線模塊能夠?qū)崿F(xiàn)較好的模擬。并且，ZigBee還給無線設(shè)備和MCU提供了一個接口，實現(xiàn)先發(fā)送命令，再對其狀態(tài)進行讀取，完成自動操作以及確保無線設(shè)備事件按序進行[21]。LabVIEW上位機的程序設(shè)計該上位機讀取協(xié)調(diào)器收到的多組數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進行整合顯示，實時顯示各個傳感器的數(shù)據(jù)，并采用波形進行顯示。上位機界面的設(shè)計由四個數(shù)字波形圖來顯示波形，用I/O口和布爾燈來連接和顯示串口狀態(tài)，實時顯示測點位置，和垂直沉降狀態(tài)。圖4.7上位機前面板設(shè)計圖后面板總體為平鋪順序結(jié)構(gòu)，第一個框圖設(shè)置串口為默認值，并用布爾燈顯示狀態(tài)。主程序框圖以While循環(huán)不斷運行，其中四個局部變量連接四個屬性節(jié)點，對前面板上的開始采集、打開串口、退出三個控件進行讀寫操作。開始采集按鈕連接選擇結(jié)構(gòu)，判斷串口正確繼續(xù)運行。掃描串口信息，創(chuàng)建了液位信息四個顯示控件，再串聯(lián)四個信號收集器，將數(shù)據(jù)實時顯示在波形圖控件上，使測量點1作為基準值，其余測量點的數(shù)值使用比較控件與其數(shù)值進行對比，使用邏輯并，當任何一個測量點與基準值相差大于等于1000時，警報指示燈亮。建筑物垂直沉降超過200mm則會有一定程度的坍塌風險，因此設(shè)置警報閾值為1000。串口選擇錯誤則不會有任何顯示。選擇結(jié)構(gòu)里面嵌套一個順序結(jié)構(gòu)，執(zhí)行完前面的主程序，即完成數(shù)據(jù)的采集，會彈出是否保存數(shù)據(jù)的對話框，選擇是，則會保存在專門的文件夾。圖4.8整體流程圖系統(tǒng)調(diào)試線陣CCD調(diào)試線陣CCD的調(diào)試主要是其驅(qū)動和檢測的調(diào)試，首先將驅(qū)動程序燒錄至STM32單片機芯片內(nèi)，使用線陣CCD驅(qū)動板通過USBTOTTL模塊連接到電腦端，使用XCOM2.0串口，發(fā)送@a0001#@[22]，使用單條發(fā)送，波特率設(shè)置值為115200，打開串口，點擊發(fā)送，得到光強和液位邊界信息。圖5.1串口顯示總體調(diào)試總體調(diào)試是一個完整的項目必不可少的部分，部分調(diào)試正常說明部分設(shè)計能夠正常運行，總體調(diào)試再對各部分的連接傳輸進行測試，測試結(jié)果正常才能證明項目完成。該系統(tǒng)總體設(shè)計使用了3個CCD傳感器，對應兩個驅(qū)動板和一個完整的線陣CCD-TCD1304模塊，一個一字激光器，三段