描述

您是否曾經(jīng)需要在儀表板上顯示來自微控制器的數(shù)據(jù)，并花更多的時(shí)間開發(fā)（和修復(fù)）您的儀表板軟件，而不是實(shí)際處理您的 MCU 項(xiàng)目？

好吧，我做了很多次。讓我介紹一下背景，我通過我大學(xué)的代表隊(duì)KA'AN SAT參加了幾個(gè) CanSat 競賽項(xiàng)目。CanSat 是“對真實(shí)衛(wèi)星的模擬，集成在軟飲料罐的體積和形狀中”（歐洲航天局，更多信息）。這些比賽的主要任務(wù)之一是為地面站開發(fā)軟件。地面站軟件（GSS）通過串口設(shè)備（一般為XBee ）實(shí)時(shí)接收CanSat的遙測數(shù)據(jù)，顯示并導(dǎo)出為CSV/Excel文件，用于任務(wù)后分析。

從一開始，我們就使用Qt開發(fā) GSS以支持多種操作系統(tǒng)（以防我們的一臺計(jì)算機(jī)在比賽中遇到問題），并且因?yàn)?Qt/QML 非常便于開發(fā)引人注目的用戶界面。

2019年地面站軟件截圖如下：

?

以及 CUCEI CanSat 競賽期間 GSS 運(yùn)行和顯示遙測的照片：

?

如果您有興趣，可在此處獲取 2019 GSS 的源代碼。該軟件的所有意圖和目的都運(yùn)行良好（畢竟我們獲得了第一名）。

半年后問題來了，當(dāng)時(shí)我發(fā)現(xiàn)自己在處理多個(gè)項(xiàng)目，這些項(xiàng)目需要使用串行設(shè)備進(jìn)行某種數(shù)據(jù)采集。例如，ROCH （我們大學(xué)的另一個(gè)代表團(tuán)隊(duì)，參加了NASA 人類漫游者探索挑戰(zhàn)賽）的一些成員希望在隔離期間將我們的 GSS 與他們的漫游者整合為一個(gè)副項(xiàng)目。

結(jié)果是災(zāi)難性的；我在深夜接到一個(gè)電話，我們最終通宵達(dá)旦想出一種方法，使 GSS 適應(yīng)他們接收到的遙測數(shù)據(jù)。最后，該軟件可以運(yùn)行，但 UI 集成很糟糕，數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能也不是很好（請參閱下面的屏幕截圖了解一下）：

?

這兩個(gè)項(xiàng)目（CanSat 和流動站）都有相似的遙測格式（傳感器讀數(shù)和 OBC 狀態(tài)數(shù)據(jù)以逗號分隔）。然而，信息本身有不同的順序。

在那次經(jīng)歷之后，我決定我已經(jīng)受夠了為我參與的每個(gè)項(xiàng)目編寫單獨(dú)的儀表板軟件。我需要想出一種方法來使用相同的儀表板/GSS 軟件來處理所有項(xiàng)目，而無需在最后一刻修改 GSS 代碼。

我最初想到的解決方案是在 GSS 和微控制器之間創(chuàng)建一個(gè)基于 JSON 的通信協(xié)議，于是Serial Studio誕生了（它的初始名稱是SigLAB，但后來我改變了主意）。

基本上，微控制器通過串行端口發(fā)送以下信息：

• 項(xiàng)目名稱。
• 當(dāng)前傳感器讀數(shù)和 OBC 狀態(tài)。
• 每個(gè)讀數(shù)的含義、其測量單位以及 GSS 應(yīng)如何處理該讀數(shù)（例如，創(chuàng)建測量大氣壓力的實(shí)時(shí)圖表）。

所有這些信息都可以很容易地在 JSON 文檔中表示，例如：

{
   "t":"KAANSATQRO",
   "g":[
      {
         "t":"Mission Status",
         "d":[
            {
               "t":"Runtime",
               "v":"%value%",
               "u":"ms"
            },
            {
               "t":"Packet count",
               "v":"%value%"
            },
            {
               "t":"Battery voltage",
               "v":"%value%",
               "g":true,
               "u":"V"
            }
         ]
      },
      {
         "t":"Sensor Readings",
         "d":[
            {
               "t":"Temperature",
               "v":"%value%",
               "g":true,
               "u":"°C"
            },
            {
               "t":"Altitude",
               "v":"%value%",
               "u":"m"
            },
            {
               "t":"Pressure",
               "v":"%value%",
               "u":"KPa",
               "g":true
            },
            {
               "t":"External Temperature",
               "v":"%value%",
               "g":true,
               "u":"°C"
            },
            {
               "t":"Humidity",
               "v":"%9",
               "g":true,
               "u":"%value%"
            }
         ]
      }
   ]
}

如您所見，我們有以下結(jié)構(gòu)：

• 項(xiàng)目名稱（字符串）
• 數(shù)據(jù)組數(shù)組，對于每個(gè)組：
• 組標(biāo)題（字符串）
• 數(shù)據(jù)集數(shù)組，對于每個(gè)數(shù)據(jù)集：
• 標(biāo)題（字符串）
• 值（字符串）
• 單位（字符串）
• 圖形請求（布爾值）

一個(gè)組由彼此密切相關(guān)的值組成，例如：

• OBC 狀態(tài)（我們示例中的第一組）
• 傳感器讀數(shù)（我們示例中的第二組）
• 加速度計(jì)讀數(shù)（X、Y、Z）
• GPS讀數(shù)
• ETC。

另一方面，數(shù)據(jù)集代表每個(gè)單獨(dú)值的含義，以及我們應(yīng)該如何處理它。

在Serial Studio上，此信息以下列方式顯示：

?

正如您可能推斷的那樣，每個(gè)“窗口”對應(yīng)于我們 JSON 文檔中的一個(gè)組（我隱藏了屏幕截圖中的圖形以避免混淆）。

這種方法非常適用于小型項(xiàng)目。然而，對于更復(fù)雜的項(xiàng)目，通過串行（或通過無線電信號，然后通過串口）創(chuàng)建和發(fā)送大型 JSON 文檔就變得很成問題。解決方案？從您的計(jì)算機(jī)加載相同的 JSON 文檔，指示微控制器僅發(fā)送傳感器/數(shù)據(jù)讀數(shù)，讓Serial Studio通過使用逗號分隔的數(shù)據(jù)框中每個(gè)接收到的值的索引來計(jì)算其余部分。

這樣做可以讓您兩全其美：

• 您不需要為每個(gè)項(xiàng)目編寫特定的儀表板/GSS 軟件（并且您可以獲得我們之前描述的所有不錯(cuò)的功能）。
• 而且你不需要從你的微控制器創(chuàng)建和傳輸一個(gè)大的 JSON 文檔（哎呀，微控制器軟件的工作人員根本不需要知道 JSON 是什么或者它是如何工作的）。

JSON“地圖”文檔如下所示：

{
   "t":"%1",
   "g":[
      {
         "t":"Mission Status",
         "d":[
            {
               "t":"Runtime",
               "v":"%2",
               "u":"ms"
            },
            {
               "t":"Packet count",
               "v":"%3"
            },
            {
               "t":"Battery voltage",
               "v":"%4",
               "g":true,
               "u":"V",
               "w":"bar",
               "min":3.6,
               "max":4.3
            }
         ]
      },
      {
         "t":"Sensor Readings",
         "d":[
            {
               "t":"Temperature",
               "v":"%5",
               "g":true,
               "u":"°C",
               "w":"bar",
               "min":0,
               "max":80
            },
            {
               "t":"Altitude",
               "v":"%6",
               "u":"m",
               "w":"bar",
               "min":0,
               "max":3000
            },
            {
               "t":"Pressure",
               "v":"%7",
               "u":"KPa",
               "g":true,
               "w":"bar",
               "min":54,
               "max":102
            },
            {
               "t":"External Temperature",
               "v":"%8",
               "g":true,
               "u":"°C",
               "w":"bar",
               "min":0,
               "max":80
            },
            {
               "t":"Humidity",
               "v":"%9",
               "g":true,
               "u":"%",
               "w":"bar",
               "min":0,
               "max":100
            }
         ]
      },
      {
         "t":"GPS",
         "w":"map",
         "d":[
            {
               "t":"GPS Time",
               "v":"%10"
            },
            {
               "t":"Longitude",
               "v":"%11",
               "u":"°E",
               "w":"lon"
            },
            {
               "t":"Latitude",
               "v":"%12",
               "u":"°N",
               "w":"lat"
            },
            {
               "t":"Altitude",
               "v":"%13",
               "u":"m"
            },
            {
               "t":"No. Sats",
               "v":"%14"
            }
         ]
      },
      {
         "t":"Accelerometer",
         "w":"accelerometer",
         "d":[
            {
               "t":"X",
               "v":"%15",
               "u":"m/s^2",
               "g":true,
               "w":"x"
            },
            {
               "t":"Y",
               "v":"%16",
               "u":"m/s^2",
               "g":true,
               "w":"y"
            },
            {
               "t":"Z",
               "v":"%17",
               "u":"m/s^2",
               "g":true,
               "w":"z"
            }
         ]
      },
      {
         "t":"Gyroscope",
         "w":"gyro",
         "d":[
            {
               "t":"X",
               "v":"%18",
               "u":"°",
               "g":true,
               "w":"yaw"
            },
            {
               "t":"Y",
               "v":"%19",
               "u":"°",
               "g":true,
               "w":"roll"
            },
            {
               "t":"Z",
               "v":"%20",
               "u":"°",
               "g":true,
               "w":"pitch"
            }
         ]
      }
   ]
}

您可以猜到，Serial Studio會將%1 、%2 、%3 、... 、%20值替換為逗號分隔數(shù)據(jù)框中相應(yīng)索引處的值。微控制器為給定的 JSON 映射發(fā)送的相應(yīng)sprintf () 格式為：

/*KAANSATQRO,%s,%s,%s,%s,%s,%s,%,%s,%s,%s,%s,%s,%s,%s,%s,%s,%s,%s,%s*/

您可能已經(jīng)注意到某些地方有一些“w”鍵，這些鍵用于構(gòu)建小部件（在此處進(jìn)行了解釋）。最后，這是顯示Serial Studio用法的強(qiáng)制性GIF ：

很酷，對吧？如果您有興趣在您的項(xiàng)目中使用Serial Studio，請?jiān)L問以下相關(guān)鏈接：

• Github 回購： https: //github.com/Serial-Studio/Serial-Studio/
• 文檔（GitHub wiki）：https://github.com/Serial-Studio/Serial-Studio/wiki/Communication-Protocol

適用于 Windows、macOS 和 GNU/Linux 的預(yù)構(gòu)建二進(jìn)制文件/安裝程序可通過 GitHub 發(fā)布獲得： https: //github.com/Serial-Studio/Serial-Studio/releases/

最小的例子

假設(shè)我們想用 Arduino 繪制 ADC 讀數(shù)并將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到 CSV 表。這是 Arduino 代碼：

#define ADC_PIN A0

void setup() {
   // Initialize Serial port at 9600 bauds
   Serial.begin(9600);
   
   // Configure analog input
   pinMode(ADC_PIN, INPUT);
}

void loop() {
   // Read voltage @ ADC_PIN
   int adc_value = analogRead(ADC_PIN);
   float voltage = adc_value * (5.0 / 1023.0);

   // Send current ms & reading through serial
   Serial.print("/*");        // Frame start sequence  [/*]
   Serial.print(millis());    // Add MCU runtime       [ms]
   Serial.print(",");         // Separator character   [,]
   Serial.print(voltage);     // Add voltage           [V]
   Serial.print("*/");        // Frame finish sequence [*/]
   
   // Wait 50 ms
   delay(50);
}

將此代碼部署到您的 Arduino 并創(chuàng)建一個(gè)包含以下內(nèi)容的 JSON 文件：

{
   "t":"Minimal Example",
   "g":[
      {
         "t":"MCU Status",
         "d":[
            {
               "t":"Runtime",
               "v":"%1",
               "u":"ms"
            },
            {
               "t":"ADC reading",
               "v":"%2",
               "g":true,
               "u":"V",
               "w":"bar",
               "min":0,
               "max":5
            }
         ]
      }
   ]
}

打開 Serial Studio 并通過選擇應(yīng)用程序左上角的“手動”單選按鈕并單擊“更改地圖文件”按鈕將 JSON 文件導(dǎo)入 Serial Studio。最后，選擇合適的 COM 端口。如果一切順利，您應(yīng)該會看到與此類似的屏幕：

?

如果單擊“打開當(dāng)前 CSV”按鈕，您將能夠在 Excel/Calc 表格中看到所有收到的信息：

?

如果您有任何疑問、想法或錯(cuò)誤報(bào)告，請隨時(shí)添加評論、聯(lián)系我或在 GitHub 上提出問題。希望互聯(lián)網(wǎng)上的一些隨機(jī)的人會發(fā)現(xiàn)這很有用:)