緒論1.1課題來源本課題來源于實驗室自選題目。1.2課題研究目的及意義這幾年來，隨著無線通訊技術(shù)的快速發(fā)展以及大數(shù)據(jù)云監(jiān)測技術(shù)的日益完善，信息化與自動化在各行各業(yè)中迅猛發(fā)展，各種領(lǐng)域內(nèi)對遠程智能監(jiān)測通訊系統(tǒng)的需求與日俱增。各種利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)實現(xiàn)的遠程監(jiān)測、遠程管理和健康診斷通訊系統(tǒng)，在醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域都取得了明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。如圖1-1所示，一些便攜式監(jiān)測設(shè)備在目前可能無法進行長期供電，需要工人每隔一定的時間就前往更換一次電池，這種設(shè)備在工人無法經(jīng)常進入的糟糕環(huán)境中，具有設(shè)備維護方面的問題；又如圖1-2所示，是有線方式傳輸，這種方式布線多而且雜亂，并且其傳輸距離受到信號衰減幅度的限制，所以它并不是十分可靠，穩(wěn)定性不夠高；上述都是由單一傳感器配備采集及軟件的自成一體的獨立系統(tǒng)。因此開發(fā)出一套遠程智能監(jiān)測通訊系統(tǒng)具有重要意義[1]。圖SEQ圖表\*ARABIC1-1便攜式檢測圖1-2電梯的鋼絲繩檢測在人機交互及遠程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊方面，已有的近、遠程監(jiān)測通訊設(shè)備及系統(tǒng)難以實現(xiàn)人機交互界面的多樣化及遠程監(jiān)測通訊系統(tǒng)模塊的交互，限制了管理人員對監(jiān)測設(shè)備的控制方式[2-3]?？偟膩碇v，現(xiàn)有的鋼絲繩檢測設(shè)備都自成一體，自己為一套獨立的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)來源比較單一。隨著智能化管理趨勢的發(fā)展，需要把自成一體的獨立單機設(shè)備相互連接起來，形成遠程物聯(lián)通訊，建立鋼絲繩檢測的遠程無線通訊系統(tǒng)。為了克服上述傳統(tǒng)方式使用場合有很大限制這一缺陷，本課題需要尋找一種用無線方式穩(wěn)定傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)的方法。本文針對上述系統(tǒng)中存在的問題，提出一種基于4G網(wǎng)絡(luò)的遠程無線監(jiān)測通訊系統(tǒng)。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.14G技術(shù)研究現(xiàn)狀4G通信技術(shù)也被稱為第四代移動通信技術(shù)，第四代通信技術(shù)把3G技術(shù)和WLAN整合起來，能夠?qū)崿F(xiàn)各種類型數(shù)據(jù)的快速傳輸，比以往的通用家庭寬帶快幾十倍。我國的4G技術(shù)正式投入使用是在2011年，發(fā)展到現(xiàn)在的階段，已經(jīng)漸趨成熟。4G技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下數(shù)個方面：首先，4G的數(shù)據(jù)傳輸速率很高，可以達到每秒一百兆比特，是3G技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率的十多倍。其次，4G技術(shù)的抗干擾能力很高，可以有效防止噪聲對通信造成的干擾。最后，4G技術(shù)的通信覆蓋范圍比較廣泛，具有覆蓋較多用戶區(qū)域的能力?？偟膩碇v，4G技術(shù)如今已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，本課題需要做的是將其與本課題的系統(tǒng)結(jié)合起來，構(gòu)建一個功能完善的4G遠程監(jiān)測通訊系統(tǒng)。1.3.2遠程監(jiān)測通訊系統(tǒng)研究現(xiàn)狀傳統(tǒng)遠程監(jiān)測通訊系統(tǒng)的通訊方式可以分為兩類，一是采用屏蔽雙絞線或電纜的有線方式，這種方式大多采用RS232、RS485等串口進行通信；二是無線方式，這種方式包括建立自成一體的數(shù)據(jù)監(jiān)測無線傳輸系統(tǒng)、借用他人的遠程服務(wù)器等。傳統(tǒng)遠程無線監(jiān)測的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，大多是是通過數(shù)傳電臺來完成的，數(shù)傳電臺自身具有傳輸距離短、使用方式復(fù)雜、運維費用高等缺陷，所以基于數(shù)傳電臺的無線監(jiān)測通訊系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域里的應(yīng)用范圍受到了制約。在早期的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域里，生產(chǎn)過程分布范圍不大，相距不遠，上述的檢測通訊系統(tǒng)在這樣的場合比較經(jīng)濟實用[4-5]。但是隨著工業(yè)領(lǐng)域的日趨進步，生產(chǎn)規(guī)模也在漸漸增長，各種設(shè)備增多，各個設(shè)備之間的距離變遠，在這種情況下，有線設(shè)備的建造難度不斷增加，應(yīng)用場所受到限制。比如在石油、煤礦、電力等工業(yè)場所，若還是選擇有線方式進行數(shù)據(jù)監(jiān)測通訊，會導(dǎo)致技術(shù)成本和經(jīng)濟成本大大增加。目前的監(jiān)測通訊系統(tǒng)方案主要分為兩種：一是有線式監(jiān)測系統(tǒng)，它基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)；二是無線式監(jiān)測系統(tǒng)，它基于3G技術(shù)或者4G技術(shù)。無線式系統(tǒng)相比于前者，雖然目前現(xiàn)有的產(chǎn)品功能開發(fā)的不夠多，但是在產(chǎn)品成本、運維和市場前景等各種方面，有著很高的競爭力。隨著3G和4G等技術(shù)的成熟，嵌入式無線監(jiān)測通訊系統(tǒng)成為了新的熱門研究方向?！斑h程無線監(jiān)測通訊系統(tǒng)”正是利用了4G無線網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)對遠程地點的綜合監(jiān)測與通訊。它穩(wěn)定性好，成本也比較低，便于進行推廣，有廣闊的前景[6-7]。自從進入信息化時代以來，不同領(lǐng)域內(nèi)的監(jiān)測通訊系統(tǒng)基本呈現(xiàn)出三種發(fā)展趨勢：普遍和智能云平臺結(jié)合、監(jiān)控終端輕量化[10]、基于大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析?？梢钥闯觯鞣N監(jiān)測通訊系統(tǒng)都在朝著智能化方向發(fā)展，呈現(xiàn)出多樣化的趨勢。各種不同系統(tǒng)的智能化、信息化水平顯著增強。[10][18-20]圖SEQFigure\*ARABIC1-3國內(nèi)外各種遠程監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用場景如圖2-1所示，近年來，國內(nèi)外各種遠程監(jiān)測通訊系統(tǒng)層出不窮，迅猛發(fā)展。在很多環(huán)境監(jiān)測和農(nóng)業(yè)監(jiān)測領(lǐng)域，使用了Zigbee協(xié)議將傳感器群和前端設(shè)備進行連接，采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS無線移動網(wǎng)發(fā)送到后端的監(jiān)測中心，隨時對被監(jiān)測地點的各種環(huán)境因素進行探測并分析；還有些研究，將RTU、DTU、RS485、RS232等模塊與GPRS結(jié)合起來，基于一個智能芯片，搭建嵌入式智能監(jiān)測系統(tǒng)；還有些系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）通信技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)，構(gòu)建遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)。這些方法都有其優(yōu)點和弊端，各自都是在特定的場合發(fā)揮最大的監(jiān)測通訊作用，自成一體[8-16]。而且目前并未找到應(yīng)用于鋼絲繩監(jiān)測的遠程監(jiān)測通訊系統(tǒng)。所以本文借鑒這些系統(tǒng)的優(yōu)點和長處，提出一種基于4G網(wǎng)絡(luò)的遠程無線監(jiān)測通訊系統(tǒng)，主要用于鋼絲繩的遠程監(jiān)測通訊。該系統(tǒng)使用智能嵌入式系統(tǒng)作為前端，對監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)采集、綜合評判和處理，直接通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳相關(guān)數(shù)據(jù)到云端，云端再發(fā)送給用戶PC端，即可實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)及狀態(tài)的實時無線傳輸；并且基于4G網(wǎng)絡(luò)，將遠程終端與監(jiān)測現(xiàn)場的嵌入式系統(tǒng)建立連接，實現(xiàn)管理人員對設(shè)備的實時控制，建立雙向遠程通訊系統(tǒng)[17][21][23]。1.4論文主要內(nèi)容基于現(xiàn)有的有線和無線式遠程監(jiān)測通訊系統(tǒng)以及一些便攜式監(jiān)測通訊系統(tǒng)，綜合它們的優(yōu)缺點，本文提出了一種新型的基于嵌入式系統(tǒng)的4G遠程無線監(jiān)測通訊系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件部分，綜合考慮到運算速度、性能、成本等因素，選擇STM32作為整個系統(tǒng)的硬件核心，在開發(fā)中，運用層次化的思想，把軟硬件分別模塊化，進行模塊化設(shè)計。本文主要從以下幾個方面闡述：一、課題簡介與描述本章為緒論部分，簡單闡述了課題來源和課題的研究目的，介紹了目前的鋼絲繩無線和有線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了其優(yōu)點和缺陷，然后對全文的結(jié)構(gòu)進行了簡要的概括。二、總體方案設(shè)計第二章主要介紹整個系統(tǒng)的整體方案。采用層次化的設(shè)計方法，將整個系統(tǒng)分為硬件層、軟件層、用戶應(yīng)用層。下面的章節(jié)就在此基礎(chǔ)上進行一些展開闡述。三、硬件系統(tǒng)第三章介紹基于嵌入式的硬件系統(tǒng)設(shè)計。首先通過對硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次化設(shè)計，介紹了硬件系統(tǒng)的整體框架大致可以分為三個組成部分，信號處理電路、數(shù)據(jù)采集電路、STM32核心電路。再對細分的各個硬件電路模塊進行設(shè)計，包括MCU核心電路、電壓轉(zhuǎn)換電路、信號采集電路、信號處理電路、串口、4GDTU等模塊。四、軟件系統(tǒng)第四章介紹軟件系統(tǒng)的設(shè)計。軟件系統(tǒng)設(shè)計也是基于層次化的設(shè)計方法，對軟件的整體結(jié)構(gòu)功能進行了分析，大致分為嵌入式軟件系統(tǒng)和GUI界面設(shè)計兩大部分，然后劃分各模塊的功能任務(wù)，依據(jù)問題導(dǎo)向的方法，通過描述代碼來深入介紹各個模塊。主要包括主函數(shù)、自定義功能函數(shù)、數(shù)據(jù)采集函數(shù)、數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)、GUI界面功能設(shè)計等。五、測試與總結(jié)展望第五章設(shè)計測試方案，對本文設(shè)計的嵌入式遠程監(jiān)測通訊系統(tǒng)進行功能測試，對測試的結(jié)果進行分析，總結(jié)已經(jīng)實現(xiàn)的功能，分析整個系統(tǒng)有缺陷之處，反思有缺陷的原因，再思考并展望未來會如何進行改進，并給出下一步的優(yōu)化方向。

2系統(tǒng)總體方案設(shè)計根據(jù)遠程監(jiān)測通訊系統(tǒng)的原理和功能要求，整個系統(tǒng)總共可以分為三個層次，分別為硬件層、軟件層、用戶應(yīng)用層。如圖2-1所示。最底層是硬件層，基于MCU核心模塊，實現(xiàn)信號采集與信號處理功能，并實現(xiàn)與4G模塊的連接；中間層為軟件層，通過各個驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對硬件層各種功能的控制；頂層為用戶應(yīng)用層，在PC上運行，對接收到的數(shù)據(jù)進行顯示，并可通過簡單的數(shù)據(jù)發(fā)送來控制硬件的啟動或關(guān)閉。[25]圖2-1總體系統(tǒng)框架硬件層圍繞MCU，搭建最小系統(tǒng)，搭載一些硬件模塊，包括AD轉(zhuǎn)換模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、信號處理模塊、串口模塊等。還有一些圍繞MCU的核心電路模塊。通過這些硬件模塊來為整個系統(tǒng)提供嵌入式硬件基礎(chǔ)，其中涉及到電路的搭建，芯片的選型等。這些電路模塊都在AltiumDesigner環(huán)境里進行繪制。嵌入式軟件層就是利用ARM官方提供的KeiluVision5（MDK）的開發(fā)環(huán)境，根據(jù)自己想要實現(xiàn)的功能，編寫程序代碼。包括一些固件庫的移植，主程序的編寫，各種自定義功能函數(shù)的編寫。要實現(xiàn)的代碼包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、定時器等各個模塊的驅(qū)動程序。用戶應(yīng)用層是在QT5的編譯環(huán)境下進行GUI的界面設(shè)計。此GUI界面需要在電腦上運行，電腦端通過串口連接到4G模塊。需要實現(xiàn)的功能包括通過4G模塊接收單片機發(fā)來的損傷數(shù)據(jù)，并將其顯示在固定的區(qū)域內(nèi)；還要實現(xiàn)字符串接收與16進制接收之間的轉(zhuǎn)換；還需要能夠通過4G模塊給單片機發(fā)送控制數(shù)據(jù)，然后4G模塊發(fā)送給單片機，實現(xiàn)用戶對單片機的控制?？偟膩碇v，其實就是自己實現(xiàn)一個簡單的串口調(diào)試助手。

3嵌入式系統(tǒng)設(shè)計3.1硬件系統(tǒng)總體方案設(shè)計3.1.1MCU最小系統(tǒng)方案MCU，叫做微控制單元，也叫做單片機，是一種可編程集成電路。它把中央處理器與外部功能電路進行小型化的集成，用于各種設(shè)備的自動化控制。MCU根據(jù)指令結(jié)構(gòu)又可分為CISC和RISC架構(gòu)，而大多數(shù)MCU都采用RISC架構(gòu)，其指令集較為簡單，寄存器比較多，效率較高，運行速度較快。ARM處理器就是一種基于RISC架構(gòu)的MCU，廣泛用于嵌入式領(lǐng)域，由于其具有節(jié)能、低成本、高性能等各種優(yōu)點，所以在各種自動控制領(lǐng)域具有非常重要的位置。[26][28]為滿足遠程監(jiān)測通訊系統(tǒng)的總體性能要求，且在硬件方面能夠支持A/D模塊、JTAG、串口等外設(shè)，軟件方面能夠方便用戶開發(fā)并實現(xiàn)各種功能，綜合考慮后選擇STM32F407ZGT6作為整個硬件系統(tǒng)的微控制單元。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1STM32F407內(nèi)部結(jié)構(gòu)STM32F4系列是意法半導(dǎo)體（ST）公司推出的基于CortexM4內(nèi)核的產(chǎn)品。相比于其之前基于CortexM3的STM32F1/F2系列，STM32F4系列的主頻提高了很多，有168Mhz，所以其模數(shù)轉(zhuǎn)換速度更快，定時器功能增加、IO口復(fù)用等功能增強，串口通信速度更快。[22]STM32F4的模數(shù)轉(zhuǎn)換器在采集數(shù)據(jù)方面的能力很強。它具有12位的精度、轉(zhuǎn)換速度能夠達到一微秒，還有多個獨立的控制器，這表明它可以對多個不同的模擬量同時進行高速采集。[22][27][31]。3.1.2電路系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案基于STM32F407單片機，系統(tǒng)總體硬件電路大致可以分為三個組成部分，信號處理電路、數(shù)據(jù)采集電路、STM32核心電路。如圖3-2所示。實驗室現(xiàn)有的前端傳感器為電感傳感器和霍爾傳感器，它們通過檢測鋼絲繩的漏磁信號對其損傷進行檢測，測得的電壓信號先通過信號處理電路進行放大和濾波，之后通過AD轉(zhuǎn)換并進行信號采集，進入單片機進行數(shù)據(jù)處理，最后通過串口發(fā)送給4GDTU模塊，此模塊再遠程傳輸?shù)缴衔粰C進行顯示。圖3-2硬件系統(tǒng)總體方案3.2硬件核心電路基于STM32F407單片機的MCU最小系統(tǒng)電路主要包括：晶振電路、濾波電路、復(fù)位電路、JTAG電路等。如圖3-3至3-7所示。圖3-3復(fù)位電路圖3-4STM32F407最小系統(tǒng)核心電路圖3-5晶振電路圖3-6部分濾波電路圖3-7JTAG電路對STM32F407系列MCU進行復(fù)位的方式是低電平復(fù)位，即RST引腳處于低電平時，CPU會處在復(fù)位狀態(tài)。如圖3-3所示，本文設(shè)計的復(fù)位電路中，是通過按下按鈕進行復(fù)位，C24與R13組成了一個較為簡單的RC復(fù)位電路。RC復(fù)位電路的原理如下：單片機剛剛連接到電源的瞬間，電容兩端的壓差還未變化，仍然為零，此時CPU處于復(fù)位的狀態(tài)；系統(tǒng)接電運行后，電源通過電阻R13給電容C24充電，當電容C24的充電量超過STM32的高電平閾值時，RST引腳變?yōu)楦唠娖?，CPU由復(fù)位狀態(tài)啟動，開始工作。當按鍵SW1被按下時，電容被短路，RST就接地并變?yōu)榈碗娖剑@樣就實現(xiàn)了通過按鍵進行復(fù)位。此電路中，電阻R13的值和電容C24的值會影響RST的低電平持續(xù)時間，所以要合理選擇它們的值，保證CPU復(fù)位所需的脈沖時間能夠與RST低電平持續(xù)時間相匹配。[33]如圖3-5所示，晶振電路是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，它為整個系統(tǒng)提供時鐘信號，是CPU的“脈搏”，如同人的心跳一樣。為了整個系統(tǒng)能夠正常工作，電路采用了一個32.768kHz的低頻晶振和一個8MHz的高頻無源晶振。晶振兩端與GND之間接的電容，是為了使其能夠正常起振并工作在穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)中大部分外設(shè)所用的時鐘源都是8MHz的高頻晶振，即高頻晶振就是主時鐘；而低頻晶振為獨立看門狗、自動喚醒單元、RTC時鐘等提供時鐘信號。[34]如圖3-6所示，濾波電路是為了對電路的電源進行濾波，并同時起到去耦合的作用。因為外界電源在使用過程中可能會出現(xiàn)一些抖動，如果不進行濾波，這種抖動可能會導(dǎo)致單片機異常復(fù)位。所以濾波電路能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。如圖3-7所示是JTAG接口電路。JTAG是一個國際標準協(xié)議，可以用于調(diào)試ARM類型的芯片。其接口電路主要為用戶提供在線調(diào)試的功能。[35]用戶在編程后，利用JTAG，可以將編寫好的程序?qū)崟r下載到開發(fā)板上進行在線調(diào)試，比起串口下載，速度更快，效率更高，可以縮短程序的開發(fā)時間。3.3電壓轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計在整個STM32F4嵌入式硬件控制系統(tǒng)中，采用的是外部電源進行供電，各個模塊大多需要5V或3.3V直流電源進行供電。本文選擇的電壓轉(zhuǎn)化芯片為AMS1117，并起到穩(wěn)壓的作用。因為AMS1117雖然在同類型產(chǎn)品中不是性能最好的，卻是比較穩(wěn)定的，并且它價格便宜，管腳定義比較簡單，對于本系統(tǒng)來說是比較理想的芯片。電路設(shè)計如圖3-8所示。圖3-8AMS1117穩(wěn)壓電路AMS1117是一個低漏失壓調(diào)整器，是一個三端線性穩(wěn)壓電路，它有多種固定電壓版本，也有可調(diào)輸出版本。其固定電壓版本外圍電路的搭建比較簡單，輸入部分和輸出部分各連接兩個電容就可以工作。而芯片內(nèi)部，有各種模塊，包括啟動模塊、電壓基準源模塊、偏置模塊、驅(qū)動模塊以及各種保護模塊等。其最簡單的封裝以及引腳定義如圖3-9及表3-1所示。圖3-9AMS1117引腳圖表3-1AMS1117引腳定義引腳名稱引腳標號引腳定義ADJ/GND1可調(diào)端/接地端VOUT2電壓輸出VIN3電壓輸入3.4信號處理模塊設(shè)計實驗室現(xiàn)有的前端傳感器為電感傳感器和霍爾傳感器，它們通過檢測鋼絲繩的漏磁信號對其損傷進行檢測，最后產(chǎn)生的電壓信號比較微弱，是低頻的小信號，而且還很容易被外界其他無用信號干擾。[35]所以不能對其進行直接采集，需要先對其進行放大。另外，信號采集過程中，外界環(huán)境還可能存在一些噪聲干擾，這些干擾信號大多都是高頻信號，若不進行處理，很容易就會造成測得的缺陷信號失真。所以為了提高所得信號的信噪比，需要對傳感器測得的信號進行低通濾波處理，盡量濾除那些高頻的無用信息和噪聲。[29]圖3-10信號處理電路如圖3-10所示為信號處理電路原理圖。傳感器測得的某一路電壓信號通過CH1端進入兩個級聯(lián)的運算放大器進行放大并濾波。因為共有16路電壓信號，所以如圖2-11所示的電路在實際使用中共有16個，它們對16路電壓信號進行濾波。兩級放大電路中，第一級對信號進行放大處理，其放大倍數(shù)為A1=R1/R3=100；第二級除了有相同倍數(shù)的放大功能以外，還是一個帶通濾波器，它的下截至頻率為fL=1/(2πR4C4)=15.9Hz，上截止頻率為fH=159Hz。一、二級之間有一個10uF的電容，作用是隔絕兩級放大電路之間的干擾，并且與第二級放大電路構(gòu)成帶通濾波器。據(jù)實驗室已有數(shù)據(jù)可知，前端傳感器測得的有效信號的頻率在50Hz左右，此通帶的濾波范圍滿足濾除噪聲的要求。兩級運算放大電路的總放大倍數(shù)為A=A1×A2=100×100=10000運算放大器芯片的選型中，選擇了TLC2262AI作為要使用的運放芯片。它是一個雙運放芯片，具有功耗小、噪聲小、干擾小、輸入阻抗大等優(yōu)點，輸出電壓的幅值可以達到STM32ADC輸入電壓的需求。其引腳定義如圖3-11所示。圖3-11芯片TLC2262AI引腳定義3.5信號采集模塊設(shè)計信號采集電路，其實就是采用的STM32F407中內(nèi)置的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，它是12位的，內(nèi)部有數(shù)個獨立的A/D轉(zhuǎn)換器，有可復(fù)用的16個轉(zhuǎn)換通道，轉(zhuǎn)換模式可以有單次轉(zhuǎn)換、連續(xù)轉(zhuǎn)換等模式，對于通道有單通道轉(zhuǎn)換、多通道掃描模式，還支持外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換、定時器觸發(fā)轉(zhuǎn)換、軟件觸發(fā)轉(zhuǎn)換，支持DMA存儲。其采樣頻率最高能有2.4MHz。[22]與STM32的ADC相關(guān)的引腳如表3-2所示。表3-2ADC相關(guān)引腳引腳名稱引腳信號引腳定義VREF+模擬參考電壓正極正極參考電壓最大值為1.8V~VDDAVREF-模擬參考電壓負極負極參考電壓最小值為VSSAVSSAVDDA模擬負電壓模擬正電壓工作電源負極工作電源正極EXTI_11/EXTI_15外部觸發(fā)信號兩路外部觸發(fā)信號ADCX_IN[15:0]模擬信號輸入16通道模擬信號輸入如圖3-12所示，用一個2×10的接插件來連接ADC的16個通道對應(yīng)的引腳。在20針的IO口接插件中，除了有16針是用于連接ADC的16路通道以外，另外還有兩個接口是定時器的外部接口，用來連接編碼器，配合STM32定時器的編碼器模式來使用；最后兩個接口連接電源和GND，用于電路軟硬件的調(diào)試。圖3-1220針接插件（IO口）3.6串口模塊設(shè)計串口，全稱為串行接口，顧名思義，它的傳輸原理就是數(shù)據(jù)一位一位地按順序傳送，比較簡單，適用于遠距離通信，成本較低，但是傳輸速率不高。它是一種物理接口形式，但是有許多電平標準協(xié)議。串口按照電平標準協(xié)議可劃分為TTL、RS232、RS485、RS422等串口。[37]這里我們使用的是STM32的TTL串口，它可以進行異步接收、發(fā)送，只需要四個引腳，其電平標準為：低電平為0，高電平為1，是標準的數(shù)字電路邏輯。如圖3-13所示，是串口模塊。串口模塊其實就是一個四腳的插針。四個腳分別接到電源、GND、單片機的RXD1（單片機數(shù)據(jù)接收腳）、單片機的TXD1（單片機數(shù)據(jù)發(fā)送腳）。圖3-13串口模塊此串口模塊，是用來與4GDTU模塊進行通信的。其簡要工作原理如圖3-14所示。如圖3-15為市面上常見的4GDTU模塊，圖3-16為其自帶的一些串行接口。這些4G模塊大多都是通過串行接口與前端的嵌入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行連接，再通過手機卡連接上4G網(wǎng)絡(luò)，與廠商搭建的服務(wù)器建立雙向連接，設(shè)置好數(shù)據(jù)透傳模式，就可以上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器，然后服務(wù)器可以把數(shù)據(jù)發(fā)送給另一個連接到PC機上的4G模塊，兩個4G模塊這樣進行數(shù)據(jù)傳輸，就叫做數(shù)據(jù)透傳。[24]圖3-144GDTU模塊的簡要工作原理圖3-154GDTU模塊圖3-164GDTU模塊接口單片機串口與此4G模塊的硬件連接，就是連接到它的RS232串口上。單片機與4G模塊串口都有TX、RX腳，把它們互接，再將G腳接到GND即可。通過串口方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)互相發(fā)送與接收。因為串口的傳輸速率較低，制約了整個系統(tǒng)的整體傳輸速率，即使4G模塊與服務(wù)器之間的無線傳輸速率很高，也無法提高整個系統(tǒng)的傳輸速率。所以目前還無法進行數(shù)據(jù)的大批量快速完整傳輸，僅能夠發(fā)送損傷部位的數(shù)據(jù)。3.7本章小結(jié)本章節(jié)的主要內(nèi)容為嵌入式硬件系統(tǒng)的設(shè)計。包括硬件總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及各細分模塊的硬件電路設(shè)計。在硬件總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，選擇了STM32F407單片機平臺作為硬件系統(tǒng)的平臺方案，運用了層次化的設(shè)計方法，將其細分為了數(shù)個層次，包括硬件核心電路、電壓轉(zhuǎn)換電路、信號處理電路、信號采集電路、串口等，然后再對各個層次進行了模塊化描述，介紹了其各自的實現(xiàn)過程，也對要用到的4G模塊進行了簡要介紹。

4軟件系統(tǒng)設(shè)計4.1軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4-1所示，軟件的總體結(jié)構(gòu)以層次化的方法來劃分，可以包括嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計和GUI界面設(shè)計兩大部分。嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計是在MDK（KEIL5）的編譯環(huán)境中進行編寫的；而GUI界面設(shè)計則是選擇了QT5作為編譯環(huán)境。嵌入式軟件設(shè)計要實現(xiàn)的功能包括模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、損傷數(shù)據(jù)的發(fā)送、各模塊底層驅(qū)動、與4GDTU模塊的串口通信等；GUI界面設(shè)計除了設(shè)計用戶交互界面以外，要實現(xiàn)的功能還包括與4GDTU模塊的通信、指令發(fā)送、損傷數(shù)據(jù)顯示等功能。[32]圖4-1軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)4.2嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計要進行嵌入式軟件的編寫，首先是在電腦上安裝好MDK的編譯環(huán)境。MDK全稱為MicrocontrollerDevelopmentKit，它基于KeiluVision5的集成開發(fā)環(huán)境，為基于Cortex-M系列等各種處理器的設(shè)備提供開發(fā)平臺，專門用于單片機的開發(fā)，能夠滿足嵌入式設(shè)計的各種需求。[22]安裝好編譯環(huán)境之后，仍不能馬上編寫程序，還要添加一些固件庫。官方為了方便用戶進行開發(fā)，提供了一套標準固件庫。建立自己的工程時，需要根據(jù)自己所用到的硬件添加對應(yīng)的標準固件庫。如圖4-2所示，這些固件庫能夠作為中間層，實現(xiàn)軟件與硬件的連接，為上層軟件系統(tǒng)對硬件的操作提供支持，并且對硬件設(shè)備進行初始化與自檢操作。還可以為用戶編寫代碼提供便利，比如將一些難以記憶的寄存器操作封裝成函數(shù)，增加代碼的可讀性。圖4-3為系統(tǒng)包含的一些固件庫。圖4-2固件庫在程序中的作用圖4-3系統(tǒng)包含的一些固件庫最后，編譯環(huán)境搭建完成，編寫代碼時，主要編寫方法為功能導(dǎo)向、問題導(dǎo)向。把要實現(xiàn)的功能、要解決的問題羅列出來，再由程序來實現(xiàn)這些功能，并解決問題。4.2.1主函數(shù)設(shè)計軟件系統(tǒng)主函數(shù)部分，主要實現(xiàn)的功能為根據(jù)串口接收到數(shù)據(jù)的不同來調(diào)用功能函數(shù)。具體流程圖如圖4-4所示。主函數(shù)在進入while循環(huán)之前，先進行了各個模塊的初始化，包括LED設(shè)置、串口設(shè)置、定時器設(shè)置、中斷優(yōu)先級分組設(shè)置等，然后進入循環(huán)檢測，若檢測到串口接收到數(shù)據(jù)，則判斷此數(shù)據(jù)是否符合條件，若符合條件，則根據(jù)相應(yīng)的條件調(diào)用自定義功能函數(shù)。圖4-4主函數(shù)的流程圖main函數(shù)核心代碼與注釋如下：intmain(void){ u16s; u8t=0; NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//系統(tǒng)中斷優(yōu)先級的設(shè)置 delay_init(168);//初始化延時函數(shù) uart_init(115200); //初始化串口波特率為115200 KEY_Init();//初始化按鍵 LED_Init(); //初始化LEDs=0; while(1)//循環(huán)檢測 { if((USART_RX_STA&0x8000)!=0) { t=USART_RX_BUF[0]; }//如果檢測到串口有數(shù)據(jù)接收完畢，則將接收到的數(shù)據(jù)保存至t中 else continue;//如果未檢測到串口數(shù)據(jù)接收，則直接跳過本次循環(huán) if(t!=s)//如果接收到的值相較于上次的值發(fā)生變化 { flag=1;//全局變量，初次調(diào)用標志位置為1 s=t;//s記錄下接收到的數(shù)據(jù) App_Call(t,1.5);//調(diào)用功能函數(shù) } elseif(t==0)//如果接收到的值相較于上次的值無變化，且為0 { //空過這輪循環(huán) } elseif(t==1)//如果接收到的值相較于上次的值無變化，且為1 { flag=0;//初次調(diào)用標志位置為0 App_Call(t,1.5);//維持功能函數(shù)的調(diào)用 } }}4.2.2自定義功能函數(shù)設(shè)計軟件系統(tǒng)的自定義功能函數(shù)包括App_Call函數(shù)、Check_Data函數(shù)以及Send函數(shù)。它們的功能分別為：App_Call函數(shù)根據(jù)從串口接收到數(shù)據(jù)的不同，執(zhí)行開啟數(shù)據(jù)采集或關(guān)閉數(shù)據(jù)采集的操作，串口接收到1，則啟動各功能，串口接收到0，則關(guān)閉各功能；Check_Data函數(shù)檢測接收到的數(shù)據(jù)，與設(shè)定好的閾值進行比較，如果大于設(shè)定的閾值，說明此數(shù)據(jù)可能為損傷數(shù)據(jù)，則進行發(fā)送操作；Send函數(shù)是執(zhí)行將數(shù)據(jù)發(fā)送到串口的操作。（1）App_Call函數(shù)沒有返回值，在函數(shù)體內(nèi)完成開啟數(shù)據(jù)采集或關(guān)閉數(shù)據(jù)采集的功能，需要傳進來兩個參數(shù)t和y，t為從串口接收到的數(shù)據(jù)，y為設(shè)定的檢測電壓閾值，其功能流程圖如圖4-5所示。圖4-5App_Call函數(shù)流程圖其核心代碼與注釋如下：voidApp_Call(u8t,floaty)//功能函數(shù)，有兩個傳入?yún)?shù)t和y{ intdata_remain;//記錄接收緩沖數(shù)組空余的數(shù)據(jù)量 intdata_now;//記錄本次調(diào)用時數(shù)據(jù)采集到接收緩沖區(qū)的哪個位置 if(t==0) {//t為函數(shù)的傳入?yún)?shù)，若為0，則說明需要關(guān)閉所有數(shù)據(jù)采集與傳輸 ADC_Cmd(ADC1,DISABLE); DMA_Cmd(DMA2_Stream0,DISABLE); DMA_Cmd(DMA2_Stream7,DISABLE); TIM_Cmd(TIM4,DISABLE);//關(guān)閉所有數(shù)據(jù)采集與傳輸功能 } if(t==1) {//t為函數(shù)的傳入?yún)?shù)，若為1，則說明需要開啟所有數(shù)據(jù)采集與傳輸 if(flag==1) {//全局變量flag為1，表明此次為初次調(diào)用，則需要對各數(shù)據(jù)采集模塊進行啟動；flag不為1時，說明已經(jīng)啟動過，直接執(zhí)行下面的操作 data_last=0; Encoder_Init(); Adc_Dma_Init();//啟動編碼器、adc的數(shù)據(jù)采集 } data_remain=DMA_GetCurrDataCounter(DMA2_Stream0);//得到接收緩沖區(qū)當前有多少個數(shù)據(jù)空余data_now=SAMPLE_COUNT-data_remain;//得到本次調(diào)用時數(shù)據(jù)采集到接收緩沖區(qū)的哪個位置 if(data_now>data_last) { Check_Data(data_last,data_now,y);//Check_Data函數(shù)功能為逐個檢測接收到的電壓值是否有超出設(shè)定的閾值y，如果有，就發(fā)送此數(shù)據(jù)，沒有就不發(fā)送 } if(data_now<data_last) { Check_Data(data_last,SAMPLE_COUNT,y); Check_Data(0,data_now,y); } //根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)位置與上次的數(shù)據(jù)位置來檢測數(shù)據(jù) data_last=data_now; }}（2）軟件系統(tǒng)啟動后，Check_Data函數(shù)會被App_Call函數(shù)調(diào)用，用來檢測接收到的電壓數(shù)據(jù)的大小是否超過閾值，如果其超過了閾值，則調(diào)用Send函數(shù)，將損傷部位的電壓數(shù)據(jù)與同時采集到的位置數(shù)據(jù)一同發(fā)送出去，給上位機提供損傷部位的位置信號和電壓幅值信號。其核心代碼和注釋如下：voidCheck_Data(inta,intb,floaty)/*Check_Data函數(shù)有三個參數(shù)，分別為a，b，y，函數(shù)檢測的時候檢測的范圍就是接收緩沖數(shù)組里a到b之間的值，檢測的電壓閾值就是y*/{ inti; for(i=a;i<b;i++)//循環(huán)檢測接收緩沖數(shù)組里的電壓值 { temp=(float)dma_buf.ADCConvertedValue[i]/4096*3.3f; if(temp>y)//如果超過了設(shè)定的閾值，則視為損傷數(shù)據(jù)，發(fā)送損傷的位置和幅值 { Send_Buf[0]=Read_Position(); Send_Buf[1]=temp; Send(0); // printf("CH1value=%fV\r\n",temp);//printf為調(diào)試用，把某個通道的數(shù)據(jù)顯示到串口，方便觀察數(shù)據(jù) } } }（3）Send函數(shù)功能則較為簡單，就是啟動DMA，對需要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行DMA發(fā)送。其代碼和注釋如下：voidSend(void){ dma_Init();//對dma進行初始化配置，并啟動 while(!DMA_GetFlagStatus(DMA2_Stream7,DMA_FLAG_TCIF7));//等待傳輸完成標志位置位，標志位置位時表示此次傳輸完成，跳出循環(huán) DMA_Cmd(DMA2_Stream7,DISABLE);//傳輸完成，關(guān)閉本次dma傳輸 DMA_ClearFlag(DMA2_Stream7,DMA_FLAG_TCIF7);//清楚傳輸完成標志位}4.2.3DMA傳輸任務(wù)設(shè)計DMA全稱為DirectMemoryAccess，即直接存儲器訪問。顧名思義，它對存儲器的訪問不需要CPU來進行直接控制傳輸，CPU只需要對DMA進行初始化，后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸工作就交給DMA來完成。它沒有復(fù)雜的工作，而是在硬件部分為內(nèi)存與外設(shè)之間開辟一條直接傳送數(shù)據(jù)的通路，這樣能使CPU分配更多時間到其他工作上。[22]在STM32F407中，DMA控制器共有2個，每個DMA控制器都可以控制數(shù)個數(shù)據(jù)流。每個數(shù)據(jù)流與硬件相連接，可以用來實現(xiàn)外設(shè)與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸。STM32F4的DMA支持的傳輸類型有外設(shè)到存儲器的傳輸、存儲器到外設(shè)的傳輸、存儲器到存儲器的傳輸，并可以設(shè)置單次發(fā)送和連續(xù)發(fā)送模式。還有許多的模式配置，在這里不再贅述，見下面的DMA配置核心代碼。本文有兩個地方需要用到DMA傳輸。一是ADC數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集要搭配DMA來使用，把外設(shè)采集到的數(shù)據(jù)通過DMA直接發(fā)送到設(shè)置好的數(shù)據(jù)接收緩沖數(shù)組中；二是數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，需要用到DMA將損傷數(shù)據(jù)從內(nèi)存發(fā)送到串口，即發(fā)送給串口上連接的4G模塊。開啟DMA之前，要對其進行初始化配置，先使能與DMA有關(guān)的時鐘，對相應(yīng)的數(shù)據(jù)流、通道進行具體化配置。內(nèi)存發(fā)送到串口所用的數(shù)據(jù)流是DMA2_Stream7的Channel_4通道。具體配置如圖4-6所示：圖4-6DMA配置代碼及注釋4.2.4ADC傳輸任務(wù)的設(shè)計在啟動ADC進行數(shù)據(jù)采集之前，要先通過程序?qū)DC進行初始化配置，這種程序就叫做驅(qū)動程序。STM32的ADC支持的觸發(fā)模式為：軟件觸發(fā)、外部事件觸發(fā)、定時器觸發(fā)?？梢栽O(shè)置單次采樣或連續(xù)采樣模式，對于ADC的16個通道來說，有單通道模式和多通道掃描模式。因為ADC是從外設(shè)采集數(shù)據(jù)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換存放到內(nèi)存中，所以一般都搭配DMA傳輸來使用。本文對ADC的模式配置采用的是定時器觸發(fā)，多通道掃描模式，關(guān)閉連續(xù)轉(zhuǎn)換。采用定時器觸發(fā)就意味著等時間采樣。初始化配置時，首先需要使能用到的GPIO口、ADC、DMA相關(guān)的時鐘，然后配置相應(yīng)的GPIO口為模擬輸入模式。本系統(tǒng)使用的是ADC1，控制STM32ADC1的DMA數(shù)據(jù)流為DMA2_Stream0，通道0，其具體配置與上一小節(jié)用于發(fā)送數(shù)據(jù)的DMA2_Stream7相差不大，僅僅是發(fā)送方向反過來，外設(shè)地址為ADC1的數(shù)據(jù)寄存器地址，內(nèi)存地址為自己設(shè)定的數(shù)組的地址。其他DMA2_Stream0的配置不再贅述。本系統(tǒng)采用定時器觸發(fā)，STM32的ADC雖然有連續(xù)轉(zhuǎn)換模式加掃描模式，但是這樣的話采樣頻率就比較固定，不能由開發(fā)者進行配置。所以就采用了定時器對ADC進行觸發(fā)，這樣就可以通過編寫程序來改變定時器的計數(shù)周期，進而改變采樣頻率，方便開發(fā)者的操作。設(shè)置ADC為獨立模式，禁止連續(xù)轉(zhuǎn)換，開啟多通道掃描模式，觸發(fā)方式選擇為定時器1的上升沿觸發(fā)，在每次計數(shù)的上升沿，就會觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換。其部分核心代碼如圖4-7所示：圖4-7ADC部分核心代碼及注釋4.2.5編碼器數(shù)據(jù)采集任務(wù)的設(shè)計編碼器，簡單來講就是一種能夠探測位移信號，然后將其轉(zhuǎn)化為電信號的一種傳感器。編碼器可以分為許多種類，本系統(tǒng)使用的是其中的一種——增量式編碼器。增量式編碼器能夠?qū)⑽灰妻D(zhuǎn)化為周期性的電信號，然后把這個電信號轉(zhuǎn)化為計數(shù)脈沖，用脈沖個數(shù)來表示位移的大小。這種編碼器一般都有三相輸出信號：通常為A相、B相、Z相輸出。其中A、B兩相輸出的脈沖有一定的先后，由這兩相的先后關(guān)系可以判斷編碼器的正反轉(zhuǎn)；Z相則是每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出一個脈沖。而STM32F407為了方便用戶使用，專門提供了一種編碼器接口模式。定時器1、2、3、4、5、8都能夠提供這種模式。這種模式提供了單項計數(shù)模式和雙項計數(shù)模式，其中單項計數(shù)只能測量位移，而雙項計數(shù)模式可以測量方向和位移，并且能夠很好地消除一些毛刺的干擾。本系統(tǒng)雖然不用得到位移的方向，但是為了消除毛刺干擾，還是使用雙項計數(shù)。在進行定時器初始化之前，要初始化用到的各個時鐘，還要對所用定時器對應(yīng)的通道GPIO口進行初始化。本系統(tǒng)選擇的是定時器TIM4，對應(yīng)的IO口為PB6和PB7，要注意將其設(shè)置為復(fù)用模式。用STM32定時器TIM4配置編碼器接口模式的部分核心代碼如圖4-8所示：圖4-8編碼器模式的配置及注釋定時器的EncoderMode有三種模式，TI1,TI2和TI12，因為增量式編碼器有AB兩相，分別接入了定時器的通道1和通道2，TI1和TI2模式意思是只在通道1的上升沿或者通道2的上升沿計數(shù)，TI12是在通道1和通道2的上升沿都計數(shù)，得到的結(jié)果是位移量的兩倍；如果再把模式選擇為通道1和通道2的上升沿和下降沿均計數(shù)，則為編碼器位移量的四倍。因為本系統(tǒng)用的是TI12模式，設(shè)置此模式在兩個輸入通道的上升沿進行計數(shù)，所以得到的結(jié)果會是位移量的兩倍。最后再編寫一個簡單的函數(shù)，對定時器TIM4的計數(shù)值進行讀取，再除以2就是位移量。當需要讀取位移量的時候，調(diào)用此函數(shù)即可。4.3GUI界面設(shè)計GUI界面采用QT5的編譯環(huán)境進行開發(fā)。其界面如圖4-9所示。主要實現(xiàn)的功能包括：（1）創(chuàng)建串口，并搜索電腦上的可用串口，對其功能和參數(shù)進行配置；（2）創(chuàng)建信號槽函數(shù)，由按鈕開啟或關(guān)閉串口，同時也由這個按鈕發(fā)送開啟或關(guān)閉的指令；（3）創(chuàng)建兩個文本顯示窗口，一個用來顯示串口接收到的數(shù)據(jù)，另一個用來顯示串口開啟或關(guān)閉的狀態(tài)；（4）創(chuàng)建另一個按鈕，此按鈕也連接信號槽函數(shù)，功能為清除文本窗口目前顯示的所有信息；（5）創(chuàng)建一個選擇框，用來實現(xiàn)16進制顯示的功能。勾選上時，文本框以16進制顯示串口接收到的數(shù)據(jù)；未勾選時，文本框以字符串方式顯示串口接收到的數(shù)據(jù)；（6）創(chuàng)建一個輸入窗口，限制其只能輸入數(shù)字，輸入完成后用戶可以點擊“輸入完成”按鈕來發(fā)送這個數(shù)據(jù)到單片機，從而設(shè)置單片機檢測損傷信號的電壓閾值。圖4-9GUI界面設(shè)計4.4本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分。其主要分為嵌入式軟件設(shè)計和GUI界面的設(shè)計。其中，在嵌入式軟件設(shè)計的部分，先介紹了開發(fā)環(huán)境的一些準備操作，然后介紹了主函數(shù)、自定義功能函數(shù)、ADC和DMA的配置、定時器的編碼器接口模式的配置等具體實現(xiàn)細節(jié)和部分核心代碼及注釋；最后，介紹了GUI界面設(shè)計所實現(xiàn)的一些具體功能。

5測試與總結(jié)展望5.1系統(tǒng)測試由于時間和水平有限，本系統(tǒng)并未自己做出實物，用的是實驗室?guī)熜脂F(xiàn)有的單片機學(xué)習(xí)板來進行測試。此學(xué)習(xí)板的MCU也是STM32F407，它搭載的各個模塊和本系統(tǒng)的都很相似，多了一些引出GPIO口，多了一些高級外設(shè)。它的MCU是STM32F4系列，也保證了添加固件庫和燒寫軟件時不會遇到無法適配的問題，所以可以用它來模擬本系統(tǒng)的測試。首先要把4G模塊與單片機通過串口連接起來，為數(shù)據(jù)發(fā)送端。如圖5-1所示。圖5-14G模塊與單片機串口的連接然后將另一4G模塊也通過串口連接至電腦端，用于接收數(shù)據(jù)。如圖5-2所示。圖5-2另一4G模塊連接至PC端本測試中，ADC共有16個通道，采用單片機自帶的3.3V電源對這些通道進行測試，每次只把一個通道置為3.3V，其他通道都接GND，再把檢測電壓的閾值設(shè)置為3V，以此來測試每個通道的可用性。如圖5-3所示，是通過串口對ADC通道1的測試，其他各個通道的測試方法與之相同。測試時用的是字符串顯示，單片機以字符串方式發(fā)送數(shù)據(jù)到串口。圖5-3ADC通道1測試經(jīng)測試，得出的結(jié)果為ADC的16個通道都能夠很好地采集到正確數(shù)據(jù)；DMA也能夠正常工作，把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機；還有檢測電壓閾值的算法，也能夠很好地檢測到超過閾值的數(shù)據(jù)并發(fā)送出來，不會發(fā)送低于閾值的電壓數(shù)據(jù)。5.2總結(jié)與展望5.2.1系統(tǒng)設(shè)計總結(jié)在本次畢業(yè)設(shè)計任務(wù)中，針對現(xiàn)有的有線式或便攜式監(jiān)測通訊系統(tǒng)存在的一些問題，提出了一套基于嵌入式系統(tǒng)的4G遠程無線監(jiān)測通訊系統(tǒng)。利用層次化設(shè)計的方法，完成了嵌入式硬件方案設(shè)計、嵌入式軟件設(shè)計和GUI界面設(shè)計，最后經(jīng)過測試，驗證了上述基于STM32F407的嵌入式硬件方案、基于MDK的軟件設(shè)計以及基于QT5的GUI界面設(shè)計的可行性。硬件啟動后，把軟件燒寫進去，目的是通過軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送的功能，經(jīng)測試后發(fā)現(xiàn)這些預(yù)設(shè)的功能都能夠正常實現(xiàn)；GUI界面設(shè)計了一個簡單的串口調(diào)試助手，經(jīng)測試，其發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)、清除顯示、16進制顯示的功能都有效，能夠合理地實現(xiàn)，驗證了其可靠性。5.2.2展望在本次設(shè)計中，由于時間有限和自身水平不夠高的原因，整個設(shè)計也存在有很多缺陷，所以還有很大的完善空間，正式進入實驗室后，計劃開展進一步的工作，逐步改善改系統(tǒng)。系統(tǒng)存在的缺陷以及以后要進一步開展的工作包括以下方面：（1）未能實現(xiàn)大批量的數(shù)據(jù)傳輸。因為4G模塊與外部設(shè)備只能通過串口連接，而串口是一種低速的接口，限制了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度。所以本系統(tǒng)還沒有實現(xiàn)大批量的數(shù)據(jù)快速進行傳輸，只是采集數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行評判，找出損傷數(shù)據(jù)，只傳輸損傷數(shù)據(jù)的信息。所以，對于這個問題，后續(xù)我還要繼續(xù)深入開展下去，繼續(xù)深入學(xué)習(xí)嵌入式的知識，找到解決大批量數(shù)據(jù)傳輸問題的方法。（2）實踐部分不夠充分。因為自身能力不夠高還有時間有限的原因，本系統(tǒng)硬件雖然畫出了電路圖和PCB圖，但未做出實物，只能用實驗室相似的STM32F407開發(fā)板來代替本系統(tǒng)的硬件。所以我以后要加強自身的實踐方面能力，讓自己在規(guī)定的時間內(nèi)能夠做出東西，進行實踐操作。（3）軟件功能不夠完善。本系統(tǒng)的軟件雖然有實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)評判、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送等各種功能，但是仍然有一些缺陷：邏輯功能不夠完整、代碼冗雜等。今后我必須提高自身編寫代碼的水平，做到快速高效地用代碼實現(xiàn)各種功能。（4）自研度不夠高。在系統(tǒng)中，因為4G這方面設(shè)計的原理較為復(fù)雜，所以4G遠程傳輸采用的是別人研發(fā)的4G模塊來進行的，之后要在4G模塊這方面進行深入，弄懂其原理。在本任務(wù)的設(shè)計過程和論文撰寫過程中，由于本人的水平有限，出現(xiàn)的錯誤、缺陷以及疏漏的地方，懇請各位老師批評指正！

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附錄MCU核心電路圖GUI設(shè)計部分核心代碼：MainWindow::MainWindow(QWidget*parent):QMainWindow(parent),ui(newUi::MainWindow){ui->setupUi(this);connect(ui->pushButton,&QPushButton::clicked,this,[=]()//按鈕1的信號-槽函數(shù)，按下按鈕，可以實現(xiàn)一些功能{if(ui->pushButton->text()=="啟動")//如果按鈕1上的文字為“啟動”，則按下此按鈕時執(zhí)行開啟串口的操作，再將串口上的文字重置為“關(guān)閉”{serial->setBaudRate(QSerialPort::Baud115200);serial->setDataBits(QSerialPort::Data8);serial->setParity(QSerialPort::NoParity);serial->setStopBits(QSerialPort::OneStop);serial->setFlowControl(QSerialPort::NoFlowControl);ui->pushButton->setText("關(guān)閉");//串口參數(shù)配置，波特率設(shè)置為115200，數(shù)據(jù)位為八位，無停止位，無奇偶校驗位，無硬件數(shù)據(jù)流控制foreach(constQSerialPortInfo&Info,QSerialPortInfo::availablePorts()){serial->setPort(Info);QStringportName=serial->portName();ui->StatusInfo->append(portName);}//搜索電腦目前可用的串口，供用戶使用if(serial->open(QIODevice::ReadWrite))/*串口可讀可寫地打開，判斷其返回值，如果返回值為1，表示串口已經(jīng)打開，則在textedit上輸出“串口已經(jīng)打開”，并通過串口向單片機發(fā)送啟動指令*/{QByteArraysendBuf0;sendBuf0="1";sendBuf0+='\r';sendBuf0+='\n';//發(fā)送的數(shù)據(jù)后面加上換行符，即\r\n，發(fā)送新行，這樣單片機才能準確接收ui->StatusInfo->append("串口已打開");//在textEdit上顯示“串口已打開”serial->write(sendBuf0);//向串口發(fā)送字符串}else//若返回值不為1，則表明串口打開失敗{ui->StatusInfo->append("串口打開失敗");}}elseif(ui->pushButton->text()=="關(guān)閉")/*如果按鈕1上的文字為“關(guān)閉”，則按下此按鈕時執(zhí)行關(guān)閉串口的操作，再將串口上的文字重置為“啟動”，并通過串口向單片機發(fā)送關(guān)閉的指令*/{QByteArraysendBuf1;sendBuf1="0";sendBuf1+='\r';sendBuf1+='\n';ui->pushButton->setText("啟動");serial->close();//串口關(guān)閉serial->write(sendBuf1);ui->StatusInfo->append("串口已關(guān)閉");}});connect(serial,&QSerialPort::readyRead,this,[=](){this->receiveData();}//連接信號槽，每當檢測到串口有數(shù)據(jù)準備好被讀取時，就調(diào)用讀取函數(shù));connect(ui->pushButton_2,&QPushButton::clicked,this,[=](){ui->ReceiveInfo->clear();ui->StatusInfo->clear();temp="";});//按鈕2的功能為清空所有textedit上的信息，并把中間變量temp清空connect(ui->pushButton_3,&QPushButton::clicked,this,[=](){QStringnum;num=ui->lineEdit->text();QByteArraysendData;StringToHex(num,sendData);serial->write(sendData);});//按鈕3的功能為提取lineEdit中的信息，并通過串口發(fā)送給單片機connect(ui->checkBox,&QCheckBox::stateChanged,this,[=](intstate)//checkbox是勾選框，當勾選上時，實現(xiàn)16進制接收的功能，未勾選時，以字符串方式接收{(diào)QStringreceive=QString(temp);//temp里儲存的是上次接收到的數(shù)據(jù)ui->ReceiveInfo->clear();//每次顯示時先清楚上次textEdit的數(shù)據(jù)if(state==0)//state為0時，是未勾選的狀況，直接以字符串方式接收{(diào)a=0;ui->ReceiveInfo->append(receive);}if(state==2)//state為2時，是勾選上的狀況，以16進制方式接收{(diào)a=1;QStringstrDis;QStringstr2=temp.toHex().data();str2=str2.toUpper();for(inti=0;i<str2.length();i+=2){