最大化Arduino串行输出

Question

在这篇文章中有多个问题交织在一起。请仔细阅读，并回答你可以进行投票的部分。

用例

创建一个时间序列csv文件的压力读取。这些读物必须是最大频率，但我只需要它持续不到10秒左右。

材料

1. Arduino Uno克隆人(不可更改)
2. 串行USB2.0(可变)
3. pyserial (Python 3)
4. 固态硬盘

问题

识别并修复阻止最大读取/秒频率的瓶颈。

密码

阿杜伊诺

void setup() {
  //speed over the usb serial interface
  Serial.begin(450000);
}

void loop() {
    //get sensor data: read the input on analog pin 0:
    int sensorValue = analogRead(A0); //returns value 0-1023
    //send over serial
    Serial.println(sensorValue);
}

Python

...
ser.serial()
ser.baudrate=450000
ser.open()
while True:
    try:
        serialData = float(ser.readline().decode().replace('\n', ''))
    except(ValueError):
        continue #I ran the code without this try/except and got 100 reads higher than when this is included in here. Caused no change in order of magnitude.
    now = datetime.datetime.now()
    serialData2 = serialData * voltageOffset #a couple of these happen
    outfile.write(now+', '+str(serialData2)+'\n')
except(KeyboardInterrupt):
    ...
    os.sys.exit(0)

带宽

一些计算来找出瓶颈在哪里。

100 s读取模拟引脚

1数据包= 10位

串行线路速度: 450000/10 = 45000包/秒

Arduino样品.成串/二流率：

100 s* 1s/(10^-6 s)=1x10^4样本/秒

arduino硅适配器:廉价的克隆芯片。假设表现不佳，因为它不是一种arduino许可的产品，但这被认为是可以接受的损失，将在后面解释。假设有无限的带宽，尽管这显然将提高一个数量级的性能。

USB2.0

数据包/s= 480 mb/s * 10^6 b/mb *1数据包/10 b= 48 x 10^6数据包/秒

PC文件写入速度

400 MB/s = 320 x 10^6数据包/s

PC python脚本

未知。假设是无限的？已知的datetime.now()查询需要8秒。

结论：瓶颈是串行波特率。

调整波特率证实了这一点。我发现el uno只支持最大450000波特率，当arduino实际上支持了270万美元从我可以收集到的网上。话虽如此，还是有些不对劲。

关键问题

回想一下，以这个波特率，我们应该看到压力读取产生的理论45000包/秒。

波德率.数据长度-无奇偶校验-1端位存在: 450000-8-n-1

让sensorValue = 1023。数据显示在println：1023\n中

当我在arduino中运行serial.println(sensorValue)时，有多少数据包通过线路发送到PC？如何将其序列化为数据包？有多少包将通过电报发送？下列哪一项是正确的：

16位int要求传输2个分组。\n还会强制执行2条。共计=4

B. sensorValue被转换成字符串，并通过单独的数据包通过线路发送:1用于1，1用于0，1用于2，1用于3，1用于\，1用于n。共计=6

C.其他(帮助我优化？？)

测试

我看到的结果不像我预期的那样。

让baud = 450000。

更改arduino代码中的value serial.println(value)会在txt文件中产生不同的读取/秒数：

value = readPin\n >> 5417压力读数/秒

value = 1 >> 10201读取/s

value = 1023 >> 4279读取/s

这告诉了我几件事。读取类比the的值时存在开销。我还可以得出结论，arduino也只在需要(1 >8位数据，1023 > 16位数据)时才发送多个数据包。等等，什么？这没什么意义。这是怎么回事？

调整波特率会导致读取数发生变化，直到arduino maxes结束为止。但是让我们找到我应该期待的吞吐量。

450000 b/s * (1包/ 10b) *1读/ (4或6包)= 11250读或7500个理论读/s

实际= 5417读/秒

2,000读消失在哪里？

Answer 1

您是对的，瓶颈是串行端口(从低效率传输数据的意义上说)。然而，大多数其他假设都是错误的。

波特率代表

波特率是指每秒不同的符号变化数。在这里，它相当于每秒的位数。波特率将包括传输的所有比特，而不仅仅是数据(开始、停止、奇偶)。

如何传输10位值

由于您有8n1传输，所以不能发送确切的10位数据。它必须是8的倍数，所以8，16，24等等。10位将被发送成两个8位的部分，就像它们作为int存储在Arduino内存中一样。

println()如何工作

println()将数字转换为字符串。您可以指定此转换的基值(DEC、BIN、HEX、OCT) --默认为DEC，因此1023将以4字节+ \n的形式传输，这是一个单字节(ASCII 10)，而\r (ASCII 13)也是一个字节。总共有6个字节。1将需要3个字节-1的数据和2换行和回车。

如何使它更快

1. 在不改变几乎任何东西的情况下--使用println(val, HEX) --对于大于255的数字，您将需要最多5个字节。
2. 使用Serial.write() -这个函数将原始二进制数据放入串行，所以如果您想发送一个值10的值，它只会发送一个字节的值10。然而，当您想发送10位变量时，事情变得复杂起来--为此您需要2字节，而PC需要知道哪一部分是第一部分，第二部分是第二部分。您需要想出某种形式的简单传输协议来处理这个问题，因此可能需要一些开始/停止字符。
3. 你需要10位分辨率吗？如果您可以继续使用8位，您可以只传输普通数据，而不需要任何额外的字符。另外，正如注释中所建议的那样，您可以使用更快的ADC时钟。
4. 也是由KIIV建议-你可以使用ADC转换中断，将触发立即测量完成。

如果您仍然使用10位，我建议使用3字节的帧:1开始字节，2字节数据。这样，理论上可以达到每秒18000帧，超过最大analogRead()频率。

Answer 2

一种选择是，在发送回PC之前，先对x次进行采样，然后对其进行平均值。或者接受压缩328 p的挑战！如果你的压力读数基本一致的话，你可能对一些RLE没什么意见。

不要用10位。ADC可能有10位分辨率，但精度是+/- 2 LSB，并且非常依赖于稳定的vref。因此，放下2 LSB，使用前8位的快速阿杜诺到个人电脑读数或多样本和平均噪音。

这是一个高噪音，共享，低分辨率的ADC。因此，不要让其他模拟引脚漂浮，因为这会导致噪音(只是接地)。还运行Arduino在一个接地的外壳，如果可能的话，因为ADC有一个MUX，使它有更长的跟踪。转换模数转换器模式或引脚也会产生一些噪音(不是你在这里做的)。电池功率是伟大的，如果你可以保持一个稳定的输入电压，否则AC/DC噪音可能会导致意想不到的vref波动。

Arduino上的主循环运行328 p和8u之间的串行IO，以及模拟读取。因此，时间瓶颈要复杂一些。

UNO串行到USB转换是由ATMEGA8u2 (板上的另一个芯片)处理的，它可以在115.2kbaud (而不是450000)进行通信。

8u和328 p上有缓冲区，这只是为了增加复杂性。两片芯片在不同的时钟上运行。ATMEGA8u2由晶体运行，ATMEGA328p (主处理器)从谐振器(均为16 The )运行。

根据您的需要，提斯有一个稍微准确的模数转换器(外部的一个将提供更好的读取)和一个更快的CPU，更多的内存等，它可以最大限度的USB端口速度。此外，保罗有很好的信息，一些低水平的技术，以使事情非常快。