STM32单片机与上位机通信工业控制应用：数据采集、控制与可视化，打造智能工业控制系统

# 1. STM32单片机与上位机通信基础**

STM32单片机是一款功能强大的微控制器，广泛应用于工业控制、物联网和嵌入式系统等领域。与上位机通信是STM32单片机的重要功能之一，本章将介绍STM32单片机与上位机通信的基础知识，包括通信方式、协议选择和数据传输流程。

**1.1 通信方式**

STM32单片机与上位机之间的通信方式主要有串口、USB和以太网。串口是最常用的通信方式，其优点是简单易用，成本低廉。USB通信速度快，但需要额外的硬件支持。以太网通信速度快，稳定性高，但需要额外的网络设备。

**1.2 协议选择**

通信协议是通信双方遵循的规则，用于规范数据传输的格式和流程。常用的通信协议有UART、I2C、SPI和Modbus。UART协议用于串口通信，I2C和SPI协议用于短距离通信，Modbus协议用于工业控制领域。

# 2. 数据采集与处理

### 2.1 传感器数据采集

传感器是将物理量转换为电信号的装置，是数据采集的基础。根据信号类型，传感器可分为模拟传感器和数字传感器。

#### 2.1.1 模拟信号采集

模拟信号是连续变化的信号，其幅度与被测物理量成正比。采集模拟信号需要使用模数转换器 (ADC)，将模拟信号转换为数字信号。

import pydaq
import numpy as np

# 初始化 ADC 设备
adc = pydaq.Adc("dev1")

# 设置采样率
adc.set_sample_rate(1000)

# 采集数据
data = adc.read(1000)

# 绘制数据
plt.plot(np.arange(len(data)), data)
plt.show()

**逻辑分析：**

* `pydaq.Adc("dev1")`：初始化 ADC 设备，其中 "dev1" 为设备名称。
* `adc.set_sample_rate(1000)`：设置采样率为 1000 Hz。
* `adc.read(1000)`：采集 1000 个数据点。
* `plt.plot()`：绘制数据。

#### 2.1.2 数字信号采集

数字信号是离散变化的信号，其值只有 0 和 1。采集数字信号需要使用数字输入/输出 (DIO) 模块。

import pydaq
import time

# 初始化 DIO 设备
dio = pydaq.Dio("dev1")

# 设置输入通道
dio.set_input_channel(0)

# 采集数据
while True:
    value = dio.read_input()
    print(value)
    time.sleep(0.1)

**逻辑分析：**

* `pydaq.Dio("dev1")`：初始化 DIO 设备，其中 "dev1" 为设备名称。
* `dio.set_input_channel(0)`：设置输入通道为 0。
* `dio.read_input()`：读取输入通道的值。
* `time.sleep(0.1)`：延迟 0.1 秒，以避免过快采集。

### 2.2 数据处理与分析

数据采集后，需要对数据进行处理和分析，以提取有用的信息。

#### 2.2.1 数据过滤与平滑

数据采集过程中不可避免地会产生噪声，需要对数据进行过滤和平滑。常用的滤波方法有：

* **滑动平均滤波：**计算一段时间内数据的平均值，以平滑数据。
* **中值滤波：**计算一段时间内数据的中间值，以去除噪声。
* **卡尔曼滤波：**一种递归滤波器，可以估计信号的真实值。

import numpy as np

# 滑动平均滤波
def moving_average(data, window_size):
    return np.convolve(data, np.ones(window_size), 'valid') / window_size

# 中值滤波
def median_filter(data, window_size):
    return np.median(np.convolve(data, np.ones(window_size), 'valid'))

# 卡尔曼滤波
from filterpy.kalman import KalmanFilter

kf = KalmanFilter(dim_x=2, dim_z=1)