捕获和绘制加速度计数据

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目的和概述

Terasic DE10-Nano 内置的三轴加速度计数据在所有三个轴上进行测量，以显示板卡何时处于运动状态。加速度计的原始输出通过传感器库转换为 g 力值，然后发送到图形软件进行数据可视化和解释。

在本教程中，您将

• 使用 I2C 接口与板载的内置数字加速度计进行交互。
• 使用 Intel® I/O 和传感器库（MRAA 和 UPM）从加速度计获取数据。
• 监测和观察 X、Y、Z 轴上微小振动和运动的加速度数据。
• 将加速度数据转换为 +/- g 力值，以演示 Terasic DE10-Nano 板的运动。
• 使用不同的开源技术显示加速度计数据
  • Express*（Web服务器）
  • Plotly*（图形库）
  • Websocket*（数据流）。

注意：Express.js 和 Plotly.js 均是 MIT* 许可的非限制性技术。

材质

硬件

• Terasic DE10-Nano 套件
• 以太网线
• 路由

软件

• PuTTY*
• Tera Term*

要通过串行/SSH 连接到开发板，您需要一个类似 Putty 或 TeraTerm 的客户端。

库

• MRAA

MRAA 是一个 I/O 库（抽象层），它为跨平台访问各种 I/O 创建了一个通用接口。此处 MRAA 用于访问连接到加速度计的 I2C 接口。

• UPM

UPM 是一个传感器库，为各种常用传感器（包括 Terasic DE10-nano 的板载加速度计）提供了软件驱动程序。这些软件驱动程序通过调用 MRAA API 与底层硬件平台进行交互。在本教程中，UPM 库用于读取板载的三轴数字加速度计 ADXL345（来自 Analog Devices*）的数据。

注意：MRAA 和 UPM 已预装在 Terasic DE10-Nano 的默认 microSD 卡镜像中。

编程语言

Node.js*

加速度计原理

加速、减速、改变方向

您的智能手机是如何知道哪个方向是向上的？当您将设备顺时针旋转 90 度时，它又是如何知道将方向从纵向更改为横向的？这些智能运动功能都归功于加速度计。加速度计是一种传感器，用于测量加速度（相对于其自身参考系）。您可能还记得物理学中的概念：当速度（具有方向的速度）发生变化时，就会发生加速度。加速度包括加速、减速或改变方向，通过测量 X、Y 和 Z 轴上的加速度（g 力），加速度计就能辨别出上下方向。

有两种使用加速度计的方法

1. 加速
2. 倾斜

这里我们使用三轴加速度计来测量所有三个轴（x、y 和 z）上的加速度。

注意：请记住，地球表面的重力加速度为 1 g。

与加速度计通信

在这里，我们使用 I2C 接口与板载的内置数字加速度计进行交互。I2C 总线通过物理线路连接到 SoC 上的 ARM* 处理器。

教程步骤

请按照以下步骤操作，以从 Terasic DE10-Nano 的内置加速度计获取数据，并在图形软件中绘制这些数据。

1. 准备 Terasic DE10-Nano 开发板以托管加速度计应用程序

2. 克隆 GitHub* 存储库

3. 安装 Express*、Websocket* 和 Plotly*

4. 取消绑定 ADXL345* 驱动程序

5. 设置 Express.js Web 服务器

6. 使用 Plotly* 生成实时图表

7. 观察作用在开发板上的力类型

第一步：准备您的 Terasic DE10-Nano

检查点：您是否已经完成了 Terasic DE10-Nano 板的初步组装和设置？

此时，我们假设您已经完成了 Terasic DE10-Nano 套件的初步组装和设置。Terasic DE10-Nano 套件附带的 microSD 卡应插入开发板的 microSD 卡插槽，并且您的开发板已通电。请先完成组装和设置过程！

有关开发板组装和设置的说明，请参阅 Terasic DE10-Nano 入门指南中的 Terasic DE10-Nano 设置。

连接到开发板

在本教程中，您将使用串行连接到开发板以执行初始设置。

注意：我们假设您知道如何在系统上设置串行终端。有关如何设置串行终端的参考，请在此处查看 页面。

在此，您将把开发板连接到互联网，获取静态 IP，然后切换到 SSH 连接。

1. 将以太网线缆从 Terasic DE10-Nano 开发板连接到路由器。

   Terasic DE10-Nano 板有两个不同的网络接口：1) 以太网 RJ45 接口，称为 eth0；2) 以太网（通过 USB，RNDIS），称为 usb0。

   在本练习中，我们使用 eth0 接口。

   注意：较新版本的 Terasic DE10-Nano 镜像包含大多数 USB Wi-Fi 加密狗的驱动程序。不幸的是，本练习不涵盖设置无线连接。

2. 获取静态 IP

   启动您首选的终端应用程序（PuTTY 或 Tera Term），以建立到 Terasic DE10-nano 板的串行连接。连接后，您应该通过运行 passwd 命令为 root 帐户设置密码。

   大多数现代路由器都能根据以太网接口的 MAC 地址分配静态 IP，即使启用了 DHCP 分配。有关如何执行此操作的信息，请查阅您的路由器手册。

   如果您的路由器不支持为 DHCP 客户端分配静态 IP，您可以使用以下命令通过 connman 为 eth0 接口强制设置静态 IP：

   connmanctl config ethernet_000000000000_cable --ipv4 manual <device_ip> <subnet_mask> <gateway_ip>
   connmanctl config ethernet_000000000000_cable --nameservers <gateway_ip>

   变量	描述	示例
   <device_ip>	您要分配给 Terasic DE10-Nano 的 IP 地址	192.168.1.10
   <subnet_mask>	用于确定 IP 地址所属子网的位掩码	255.255.255.0
   <gateway_ip>	网关/路由器 IP 地址	192.168.1.1

   请在完成此步骤并获取开发板的 IP 地址后**断开 USB 线缆**。同时使用两个接口可能会导致它们互相干扰。

3. 切换到远程 SSH 连接

   现在您已经有了静态 IP，我们可以切换到 SSH 连接。当您断开 USB 线缆时，终端应用程序将关闭之前的连接。启动一个新的终端实例，然后使用开发板的 IP 地址进行连接。

   使用 SSH 连接将更快、更安全，并且允许与开发板之间进行文件传输。如果您想更改图表设置（例如，删除其中一个轴，添加数据点标记，更改曲线平滑度等），这将非常有用。它还允许您在运行示例应用程序后更改开发板上的项目文件。

动态主机配置协议 (DHCP)

默认情况下，开发板上的以太网接口设置为动态主机配置协议（DHCP）模式，因此它会自动向连接的路由器请求 IP 地址。通过设置静态 IP，连接到 Terasic DE10-Nano 和托管图形网页的过程会变得更加容易。这基本上意味着您不必每次从路由器获取新的 IP 地址时都编辑客户端配置。

返回 DHCP 模式（可选）

如果您需要撤销对 eth0 接口所做的更改并返回使用 DHCP 模式，请键入以下命令：connmanctl config ethernet_000000000000_cable --ipv4 dhcp

第二步：克隆 GitHub 存储库

克隆包含此示例源代码的 Github 存储库是一个直接的过程。Git 客户端是 Terasic DE10-Nano 镜像的一部分。要克隆存储库，请在您的 SSH 会话中键入以下命令：

git clone https://github.com/intel-iot-devkit/terasic-de10-nano-kit.git

这将在当前目录中创建一个名为 *terasic-de10-nano-kit* 的新文件夹。加速度计教程的源代码文件可以在 *terasic-de10-nano-kit/code-samples/accelerometer/de10-adxl345* 下找到。

第三步：安装 Express、Websocket 和 Plotly

通过键入以下命令进入应用程序目录：

cd terasic-de10-nano-kit/code-samples/accelerometer/de10-adxl345

当使用此存储库中的示例代码时，通过运行以下命令将安装 Express、Websocket 和 Plotly：

npm install

第四步：取消绑定 ADXL345* 驱动程序

默认情况下，Linux* 已绑定（即“拥有”）此加速度计设备。在这里，我们需要将设备“解绑”出 Linux（你知道的，就是把 Linux 的控制权夺过来），以便我们的程序使用它。

默认情况下，adxl34x 驱动程序将绑定到设备 0-0053，您可以在下面的目录列表中看到它：

root@de10-nano:~# ls /sys/bus/i2c/drivers/adxl34x
0-0053  bind    uevent  unbind

adx34x 内核驱动程序会持续轮询加速度计，这会干扰 MRAA 库。此外，它会启用 ADXL345 上的自动睡眠功能，这在通过 UPM 驱动程序读取值时会增加显著的延迟。

首先，重新配置设备：

root@de10-nano:~# echo 0 > /sys/bus/i2c/drivers/adxl34x/0-0053/autosleep
root@de10-nano:~# echo 15 > /sys/bus/i2c/drivers/adxl34x/0-0053/rate

要解绑驱动程序，请像这样将设备名称 echo 到 sysfs 中的 unbind 伪文件中：

root@de10-nano:~# echo 0-0053 > /sys/bus/i2c/drivers/adxl34x/unbind

注意，该设备在此目录中不再存在。

root@de10-nano:~# ls /sys/bus/i2c/drivers/adxl34x
bind    uevent  unbind

要绑定驱动程序，请像这样将设备名称 echo 到 sysfs 中的 bind 伪文件中：

root@de10-nano:~# echo 0-0053 > /sys/bus/i2c/drivers/adxl34x/bind
[  871.268013] input: ADXL34x accelerometer as /devices/platform/soc/ffc04000.i2c/i2c-0/0-0053/input/input5

注意，设备已恢复。

root@de10-nano:~# ls /sys/bus/i2c/drivers/adxl34x
0-0053  bind    uevent  unbind

注意：如果您想运行其他加速度计示例，则需要重新绑定驱动程序。（提示：microSD 卡镜像中可能隐藏着一个加速度计的彩蛋……去寻找它吧！）驱动程序更改在重启后不会持久保存。

第五步：设置 Express.js Web 服务器

此 Web 服务器使用 WebSocket 将从加速度计捕获的实时数据推送到客户端浏览器。

设置 Node.js 模块查找路径

在启动服务器之前，让我们确保 Node.js 知道在哪里可以找到 MRAA 和 UPM。为此，我们将设置 NODE_PATH 环境变量：

export NODE_PATH=/usr/lib/node_modules

如果您想使此更改永久生效，并在开发板每次启动时都导出 NODE_PATH 变量，请使用以下命令：

echo "export NODE_PATH=/usr/lib/node_modules" > ~/.profile

启动 Web 服务器

服务器端代码位于 *app.js* 文件中。此文件是使用 Express.js 模板生成的，然后扩展为处理 WebSocket 连接。有关这两个概念的更多信息可以在参考资料中找到。服务器还将定期使用 UPM ADXL345 库发送加速度计数据，如下一节所述。

客户端代码可以在 *public/js/index.js* 文件中找到。在客户端，您需要设置 Terasic DE10-Nano 板的 IP 地址：

var connection = new WebSocket('ws://192.168.1.10:3001'); // Change to match your own DE10-Nano IP

您可以使用内置的 vi 编辑器进行更改。其他文本编辑器可从官方 Angstrom 存储库获取（例如 vim、nano）。您现在已准备好启动服务器。

启动 Express* 就像键入以下命令一样简单：

npm start

第六步：使用 Plotly* 生成实时图表

Plotly* 图形库用于以实时图表的形式可视化数据。该页面几乎可以在任何浏览器/设备组合上访问。

要查看图表，请使用连接到 Terasic DE10-Nano 板同一网络的任何设备，打开浏览器，然后访问：

http://<device_ip>:3000

此应用程序有几个关键组件，它们允许读取加速度计的数据并将其推送到客户端。

在服务器端，您需要加载 ADXL345 的 UPM 库并读取 g 力值。这反映在以下代码中：

var upm = require('jsupm_adxl345'); // Assumes the UPM modules are installed on a path known to Node.js, or a location specified via the NODE_PATH environment variable

并且

var adxl = new upm.Adxl345(0); // Initialize the accelerometer on I2C bus 0

var gatherData = setInterval(function() {
    adxl.update(); // Update the data
    var force = adxl.getAcceleration(); // Read acceleration force (g)
    force.setitem(2, (force.getitem(2) + 0.08)); // Apply a small offset to the Z axis, determined by calibration

    // Serialize and send the accelerometer data as JSON
    connection.send('{"x": ' + force.getitem(0).toFixed(2) + ', "y": ' + force.getitem(1).toFixed(2) + ', "z": ' + force.getitem(2).toFixed(2) + '}');
}, 100); // Send the data every 100 ms

对于客户端，首先同步服务器每秒发送的消息数：

var messagesPerSecond = 10; // Change to match your server data rate

然后，我们反序列化从服务器接收到的 JSON 加速度数据并更新图表：

connection.onmessage = function (message) {
    // Parse data and push data to plot
    try {
        var adxlData = JSON.parse(message.data); // Deserialize incoming JSON acceleration data

        // Divide the X axis by the number of messages received per second, so that major units are elapsed seconds
        var ts = messagesReceived/messagesPerSecond;

        var newData = {
            x: [[ts], [ts], [ts]],
            y: [[adxlData.x], [adxlData.y], [adxlData.z]]
        }

        // Extend the current graph, last integer here is the number of X values to keep before discarding old data
        Plotly.extendTraces('myDiv', newData, [0, 1, 2], 60 * messagesPerSecond);
        messagesReceived++;
    } catch (e) {
        console.log('This doesn\'t look like valid JSON: ', message.data);
        return;
    }
};

客户端代码的其余部分根据 Plotly API 定义了图表的样式。

请注意，当前设置将大约每秒刷新数据 10 次。您可以尝试不同的值来显示更多或更少的数据。

第七步：观察作用在开发板上的力类型

静力

重力

当开发板放置在橡胶脚上时，您可以观察到重力作用在开发板上。

绿色线（Z 轴）应显示恒定的 1g（或 9.8 m/s^2）的力。事实上，重力始终显示在图表上！

动力

移动

通过移动开发板，观察 X（蓝色）、Y（橙色）和 Z（绿色）轴上的运动：

• 上下左右移动
• 以 45 度角
• 数字八字形

振动

观察以下情况：

• 轻轻敲击开发板
• 在桌子上敲击
• 将开发板放置在有持续振动的物体上或附近（例如，风扇电机）

后续步骤和优化

在 PC 或笔记本电脑上，Plotly 利用硬件加速（通过 webGL）来渲染图表。因此，您可以处理大型数据集，频繁重绘，并且仍然能够显示响应迅速的图表。不幸的是，此功能在移动浏览器（例如平板电脑、智能手机）上不可用。这意味着绘图速率直接受到影响，对于这些设备，仅限于每秒几次更新（1 到 4 次）。好消息是，通过 WebSocket 发送的数据量不受影响。

一个自然的优化是在客户端收集数据点到缓冲区，同时从 Terasic DE10-Nano 以高速率继续发送它们。然后，您可以一次用多个值更新图表，即使在移动设备上也能保持图表的响应性。

结论

本练习展示了如何轻松地将 MRAA 和 UPM 库与其他技术集成，以构建完整的物联网应用程序。还有许多其他传感器和执行器库，包括一些为工业应用设计的库。要获取支持传感器的完整列表，请在此处访问 UPM API 页面 here。

参考文献

• MRAA: http://mraa.io
• UPM: http://upm.mraa.io
• Express.js: https://express.js.cn/
• Websocket.js: https://github.com/theturtle32/WebSocket-Node
• Plotly.js: https://plot.ly/javascript/

一些不错的 Plotly 示例，展示如何扩展图表以显示新数据：

• http://codepen.io/plotly/pen/LGEyyY
• http://codepen.io/etpinard/pen/qZzyXp

额外资源

• 了解 Terasic DE10-Nano 套件
• Terasic DE10-Nano 入门指南
• 项目：我的第一个 FPGA
• 了解更多关于 Intel® FPGA 的信息