分布式膛压应变测量系统

项目简介：为分析炮弹发射 对炮膛 的时序影响 ，设计一种分布式应变测量 系统。系统由上位机、数据指令网关、采集节点三部分组成。

数据采集节点： 以STM32处理器 为核心，前端电桥 及信号调理电路 实现应变信号变换 ，利用外部中断 信号响应 来自网关节点 的时统信号 ，利用STM32处理器内置ADC DMA方式 实现应变数据采集 ，采用卡尔曼滤波 算法实现数据滤波，采用（nandflash 或者SD卡）实现数据临时存储 ，通过RS485总线 实现数据上传至网关节点。

网关节点： 采用基于imx6ull linux技术 实现，主要实现了RS485以太网 网关功能，能够接收 来自上位机 的指令 并转发至RS485，兼容TCP/UDP/MQTT协议；利用定时器 实现基于Linux的时统（时间统一系统）发生驱动，为采集节点提供同步信号；网关内置环控功能，通过板载温度传感器实现温度采集和散热控制；网关节点带有800*480屏幕实现传感器采集节点的轮询显示和校准控制功能；

上位机采用：NI软件实现数据读取分析显示功能。

框图分析：

右半部分

网关（imx6ull）各模块功能解析

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1. 屏幕显示模块（800×480）

• 功能：

  • 显示 数据校准页面（如传感器零点调整、实时应变曲线）。

  • 提供人机交互界面（HMI），支持触摸操作（如参数设置）。

• 技术实现：

  • Linux 驱动（如 Framebuffer 或 LVGL 图形库）。

  • 通过 SPI 或 RGB 接口连接屏幕。

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2. 网络通信模块

• 功能：

  • RS485 指令转发：接收上位机（PC/NI 软件）的指令，通过 RS485 转发至 STM32 节点。

  • TCP 通信：与上位机通过以太网交互（如上传数据、接收控制命令）。

• 协议支持：

  • 下行（RS485）：Modbus RTU（轮询 STM32）。

  • 上行（TCP）：MQTT/Modbus TCP（与 NI 软件通信）。

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3. 电源模块（24V DC 供电总线）

• 功能：

  • 为网关及附属电路（如 RS485 转换芯片）提供 24V 直流电源。

  • 通过 DC-DC 降压芯片转换为 5V/3.3V 供 imx6ull 核心板使用。

• 设计要点：

  • 多节点共享供电（总线结构），需考虑电源冗余和滤波。

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4. 时统信号生成模块

• 功能：

  • 通过 50kHz 硬件中断 精确控制 IO 口电平翻转，产生同步脉冲信号。

  • 经 时统总线（RS485 或专用线路）广播至所有 STM32 节点，确保同步采集。

• 技术实现：

  • Linux 高精度定时器（如 hrtimer）或 FPGA 协处理。

  • 驱动代码通过 GPIO 控制信号输出。

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5. 数据采集与存储模块

• RS485 轮询：

  • 定时轮询各 STM32 节点的状态和应变数据（Modbus RTU 协议）。

• 数据缓存：

  • 临时存储至 NAND Flash（防止网络中断丢失数据）。

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6. 环境监测模块（LM75）

• 功能：

  • 通过 I2C 接口读取板载温度（LM75 传感器）。

  • 触发散热控制（如风扇调速）或过热报警。

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7. 与上位机（NI 软件）的交互

• 数据流：

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  STM32 → RS485 → 网关 → TCP/MQTT → NI 软件（分析/显示）

• 指令流：

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  NI 软件 → TCP → 网关 → RS485 → STM32（参数配置）

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模块协同工作示意图

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                    +---------------------+
                    |       imx6ull       |
                    |                     |
[24V DC供电总线] ----|-- 电源管理          |
                    |                     |
[RS485 总线] -------|-- Modbus RTU 轮询   |
                    |                     |
[时统总线] ---------|-- 50kHz 同步信号     |
                    |                     |
[TCP] -------------|-- MQTT/Modbus TCP   |
                    |                     |
[屏幕] ------------|-- 数据校准/状态显示  |
                    |                     |
[LM75] ------------|-- 温度监控          |
                    +---------------------+
                          ↑      ↓
                      RS485    TCP
                        ↓        ↑
                    [STM32节点] [NI 软件]

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总结

• 网关是系统的核心枢纽，负责协议转换、同步控制、数据聚合和人机交互。

• 关键设计亮点：

  • 硬实时同步（50kHz 时统信号）。

  • 多协议兼容（RS485 + TCP/MQTT）。

  • 工业级可靠性（24V 总线供电、温度监控）。

这种架构既满足高速数据采集的实时性，又支持灵活的云端/上位机扩展。

左半部分

采集端（STM32F4节点）功能详解

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1. 信号采集链路

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应变片 → 惠斯通电桥 → 放大电路（×100） → STM32F4 ADC → DMA → 内存 → RS485传输

(1) 应变片

• 作用：粘贴在炮膛表面，将机械形变转换为电阻变化（ΔR/R ≈ 应变ε × 灵敏系数K）。

• 典型参数：

  • 阻值：120Ω/350Ω

  • 灵敏系数K：2.0

(2) 惠斯通电桥

• 功能：将应变片的微小电阻变化（ΔR）转换为差分电压信号（ΔV）。

• 配置：

  • 1/4桥（单应变片+3固定电阻）或半桥/全桥（更高灵敏度）。

  • 激励电压：通常2.5V或5V（由24V DC总线降压提供）。

• 输出公式：

  𝑉𝑜𝑢𝑡=𝑉𝑒𝑥𝑐𝑖𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛⋅Δ𝑅4𝑅Vout=Vexcitation⋅4RΔR

(3) 放大电路（×100）

• 目的：放大电桥输出的微弱信号（通常μV~mV级）。

• 方案：

  • 仪表放大器（如AD620、INA128），抑制共模噪声。

  • 增益G=100，带宽需覆盖应变信号频率（如0-10kHz）。

(4) STM32F4 ADC

• 关键配置：

  • 12位ADC，采样率1MHz（实际有效位ENOB≈10位）。

  • 输入范围：0-3.3V（对应放大后信号）。

• DMA传输：

  • 直接存储ADC数据到内存，避免CPU干预，确保实时性。

(5) RS485传输

• 协议：Modbus RTU（从机模式）。

• 硬件：

  • 通过UART + MAX485芯片转换电平。

  • 总线终端电阻120Ω（匹配阻抗，防反射）。

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2. 供电与时统同步

(1) 24V DC供电总线

• 用途：

  • 为STM32核心板、电桥激励电压、运放供电。

• 电源树：

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  24V → DCDC降压 → 5V（运放） → LDO → 3.3V（STM32）  
        ↓  
        2.5V（电桥激励）

(2) 时统总线

• 同步机制：

  • 网关通过50kHz中断信号（IO翻转）触发所有STM32同步采样。

• STM32响应：

  • 外部中断（EXTI）唤醒ADC，启动DMA传输。

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3. 多节点拓扑

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          [网关imx6ull]
              |
        RS485总线（Modbus RTU）
      ┌───────┴───────┐
  [STM32节点1]    [STM32节点2]  
    (应变片x6)      (应变片x6)

• 地址分配：每个STM32设置唯一Modbus地址（如0x01, 0x02）。

• 轮询方式：网关依次询问各节点，避免总线冲突。

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4. 关键设计考量

模块	挑战	解决方案
应变片	温度漂移、非线性误差	软件校准（零点/灵敏度补偿）
电桥	共模干扰（电磁噪声）	屏蔽线、差分走线、低噪声LDO供电
ADC	采样抖动影响同步精度	外部时统信号触发+硬件定时器
RS485	长距离传输衰减	终端电阻、波特率≤115200bps

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5. 数据流示例

1. 时统触发：网关发送同步脉冲→STM32中断→启动ADC。

2. ADC采样：DMA连续采集100点（如10kHz采样率，10ms波形）。

3. 数据处理：卡尔曼滤波后存入缓冲区。

4. 响应查询：网关Modbus请求到来时，通过RS485返回数据。

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总结

• 采集端核心任务：高精度应变信号采集、同步、预处理。

• 工业级设计：

  • 惠斯通电桥 + 仪表放大保障信号质量。

  • DMA + 时统总线实现硬实时性。

  • Modbus RTU标准化通信。

• 扩展性：可通过增加节点数扩展监测点位。

名词解释：

1、网关（Gateway）是连接不同通信网络或协议的桥梁设备，核心功能包括：

• 协议转换（如 Modbus RTU → MQTT/TCP）

• 网络层级跨越（如 RS485 串行网络 ↔ 以太网）

• 数据聚合与路由（如多个采集节点数据统一上传）

网关的具体实现

• Modbus 侧：

  • 网关通过 RS485 + Modbus RTU 与 STM32 通信（主从轮询）。

• 以太网侧：

  • 网关运行 TCP/UDP/MQTT，与上位机（NI 软件）交互。

• 额外功能：

  • 时统信号生成、温度监控、人机界面（屏幕）。

2、时统（时间统一系统）的概念

时统 （Time Synchronization System，时间统一系统）是指为分布式系统中的多个设备或节点提供高精度、统一的时间基准，确保各节点能够按照相同的时间标准执行操作（如数据采集、控制指令响应等）。

在您的炮弹发射监测系统中，时统信号的作用是：

1. 同步触发采集 ：所有STM32采集节点在接收到网关发出的时统信号（如硬件中断）后，同时启动ADC采样 ，确保多通道应变数据的时间对齐。

2. 数据时间戳对齐：后续分析时，可通过时统信号的时间标记，将不同节点的数据精确关联到同一时间点（例如炮弹发射瞬间的炮膛应变分布）。

3、RS485以太网网关

1. RS485是物理层协议 ，但它通常与应用层协议（如Modbus）结合使用。

2. 网关的核心作用 是完成协议栈的跨层级转换，例如将RS485上的Modbus数据转换为TCP/IP协议（如MQTT）。

3. "兼容TCP/UDP/MQTT" 指的是网关的以太网侧支持的传输层/应用层协议，而非RS485本身。

4. TCP/UDP：传输层协议，提供可靠（TCP）或实时（UDP）的数据传输。

   • 例如：网关通过TCP接收上位机指令，通过UDP广播时统信号。

5. MQTT：应用层协议，基于发布/订阅模型，适合物联网场景。

   • 例如：网关将应变数据以MQTT报文发布到上位机（NI软件可订阅该主题）。

4、Modbus：工业控制的"老将"

核心特点

• 主从架构：

  • 一个主设备（如网关）主动轮询多个从设备（如STM32采集节点），从设备仅在收到请求时响应。

  • 例如：网关通过Modbus RTU（RS485）读取STM32的应变数据寄存器。

• 寄存器模型：

  • 数据以寄存器（16位整数）形式组织，分为：

    • 线圈（Coils）：布尔量（可读可写，如开关状态）。

    • 保持寄存器（Holding Registers）：数值（可读可写，如ADC采样值）。

  • 例如：STM32将应变数据存储在保持寄存器中，网关通过Modbus功能码0x03读取。

• 两种变体：

  • Modbus RTU：基于RS485/RS232，二进制帧，紧凑高效。

  • Modbus TCP：基于以太网，在TCP/IP上封装Modbus协议（去除了CRC校验，改用TCP校验）。

在您的项目中的应用

• STM32采集节点作为Modbus从设备，通过RS485暴露寄存器（如存储应变数据的地址）。

• 网关作为Modbus主设备，轮询各节点数据，再转换为MQTT上传至上位机。

• Modbus RTU 通常运行在 UART + RS485/RS232 上，二者协同完成工业设备通信。

• Modbus TCP 则完全脱离 UART，直接基于以太网。

• 在您的炮弹监测系统中，UART（RS485） + Modbus RTU 的组合是工业领域的经典选择，兼顾可靠性和实时性。

5、环控

• "环控"=环境控制，核心是通过传感器数据动态调节设备运行环境。

• 在您的网关中：

  • 温度采集：板载传感器实时监测内部温度。

  • 散热控制：基于温度阈值调节风扇转速，保障imx6ull稳定运行。

• 实现关键：

  • 硬件上需支持传感器接口和PWM输出。

  • 软件上需编写闭环控制逻辑（如PID算法或阈值控制）。

6、卡尔曼滤波

// 初始化
float x_hat = 0.0;    // 初始状态估计
float P = 1.0;        // 初始误差协方差
float Q = 0.001;      // 过程噪声方差（假设微小）
float R = 0.1;       // 测量噪声方差（需根据传感器校准）

void kalman_update(float z_k) {
    // 预测
    float x_hat_minus = x_hat;
    float P_minus = P + Q;

    // 更新
    float K = P_minus / (P_minus + R);
    x_hat = x_hat_minus + K * (z_k - x_hat_minus);
    P = (1 - K) * P_minus;

    // 返回滤波后的值 x_hat
}

场景	推荐算法	理由
嵌入式实时滤波（STM32）	卡尔曼滤波	低计算量，最优估计
离线数据分析（NI上位机）	小波变换	可捕捉瞬态冲击信号
简单传感器去噪	滑动平均/中值滤波	实现成本低
非线性系统（如姿态估计）	粒子滤波	能处理复杂动力学

核心思想 "卡尔曼滤波是一种基于状态空间模型的最优递归估计算法，通过预测-更新两步循环，在存在噪声的系统中动态估计真实状态。它的核心优势是结合系统动力学模型和实时观测值，通过协方差矩阵动态调整对预测和测量的信任权重。"太复杂了，有没有简单描述

一句话极简版

"卡尔曼滤波是一个动态称重算法------它根据你对系统的了解（预测）和传感器的测量（观测），自动计算两者的可信度比例，给出最优结果。"

通俗类比版

想象你在蒙眼走路：

• 预测：你根据上一步的位置和速度，估算现在该在哪。

• 测量：你用手摸墙（但手会抖，测量不准）。

• 卡尔曼滤波：综合你的步长推算和手的触觉，算出最可能的位置。

工程人话版

"它是一个实时去噪算法，一边用物理规律猜数据该是多少，一边用传感器测数据，最后按两者的可靠程度加权平均。"

面试场景用法

先抛简单版："就像天气预报，结合昨天的预测（模型）和今天的卫星数据（测量），给出更准的结果。"

再补技术细节："具体是通过状态方程和观测方程，用协方差矩阵..." （展示深度）