项目背景

功能介绍

任务描述

• 使用板卡上的触摸按键，实现点按和左右滑动，实现传感器选择和切换
• 将数据发送到上位机
• 上位机完成传感器数据的功能选择和可视化

硬件介绍

运动和环境传感器拓展板

X-NUCLEO-IKS4A1 集成板配备了多种MEMS传感器，包括LSM6DSO16IS和LSM6DSV16X的3轴加速度和3轴角速度传感器、LIS2MDL三轴磁力计、LIS2DUXS12三轴加速计、LPS22DF压力传感器、STTS22H温度传感器和SHT40AD1B湿度温度传感器，能够在紧凑的空间内提供加速度、磁力、压力、温度等多维度测量。此外，板卡还配备了Qvar触摸/滑动电极，支持开发高度互动和响应式的应用。该板卡通过IIC协议与外界通讯，使得集成和应用开发更为便捷。

设计思路

主要困难

此小节主要分析功能需求，实现该项目会面临的困难。

从任务描述中可以看出，实现该任务有三个核心功能：

1. 获取多种传感器数据并通过串口发送至上位机，此部分功能示例软件已经提供。
2. 驱动触摸按键，获取用户触摸行为，将选择展示传感器信息传递给上位机。
3. 上位机中传感器数据可视化的UI设计与显示逻辑。

解决思路

此小节针对面临的困难，提出解决方案（拟使用的传感器及通信协议）。

整体思路如图所示。

核心功能一

捕获用户点按和左右滑动的操作

主要使用传感器：MEMS 3D加速度计+ 3D陀螺仪（LSM6DSV16X）、其他运动传感器和环境传感器。

配置LSM6DSV16X的Qvar功能。打开X-NUCLEO-IKS4A1的文档，可以看到Qvar接口与传感器的连接方式

可以看到，可以通过 LSM6DSV16X使用装备的 Qvar 滑动电极。

板载配置为：使用跳线帽连接J4和J5的3-4端口

• J4: 3-4 (HUB1_SDx = QVAR1)
• J5: 3-4 (HUB1_Scx = QVAR2)

单片机iic，usart等外设初始化。传感器初始化，传感器采样时间为1s，并通过串口发送到上位机。

每隔0.1s获取qvar值，完成用户动作检测，当用户触发上滑，下滑，双击动作时，发送控制信号至上位机。

根据ST提供的传感器数据手册的描述，通过设置 CTRL7（16h）寄存器中的 AH_QVAR_EN 位为 1，可以激活 Qvar 通道；可以通过STATUS_REG (1Eh)的AH_QVARDA获取数据是否准备好；Qvar 数据以 16 位二进制补码形式提供，在 AH_QVAR_OUT_L（3Ah）和 AH_QVAR_OUT_H（3Bh）寄存器中以固定 240 Hz 的速率输出。

1. 硬件连接 使用跳线帽连接J4和J5的3-4端口

2. 配置传感器

阅读6.8 Qvar functionality章节，首先配置传感器功能，设置传感器内部寄存器的值。

通过CTRL1 (10h)设置加速度速率为120Hz，以达到加速度计为高性能的要求。

设置CTRL7（16h）寄存器中的 AH_QVAR_EN 位为 1。

3. 获取Qvar数据

读取AH_QVAR_OUT_L（3Ah）和 AH_QVAR_OUT_H（3Bh）这两个寄存器，来获取Qvar 数据。

4. 用户行为捕获

根据Qvar数据的变化特征，来判断用户是否在触摸板上完成手指的移动。采样Qvar的数据波形，识别用户是否开始点按和左右滑动。采样率也会导致识别行为的可靠性。向左滑动选择拟展示上一个传感器，向右滑动拟展示下一个传感器，双击后才切换显示所选择传感器的数据。

核心功能二

qt的ui设计，采用左右布局，左边为X-NUCLEO-IKS4A1板载传感器的名称，右边展示所选传感器的数据。左边布局可供用户鼠标点击，也可根据用户在开发套件中的行为更换样式。具体地，当用户在静电传感器上滑动时，按钮的样式会随着发生改变。电脑使用的COM口为COM9。

核心功能三

使用串口方式，开发板与上位机完成通信。主要传输传感器数据和用户行为。串口数据格式根据传感器种类不同分为二类，分别是命令类和数据类。

命令类为用户的上滑，下滑，双击等操作，主要用来控制上位机UI显示不同的传感器显示页面。

命令类格式为CMD:xx，其中，xx可能为up、down、double_click。

各种传感器的数据通过字符串发送，数据类格式如下：

Motion sensor instance 1:ACC_X: 15, ACC_Y: -20, ACC_Z: 1008

Motion sensor instance 1:GYR_X: 0, GYR_Y: 140, GYR_Z: 350

Motion sensor instance 2:ACC_X: -25, ACC_Y: -18, ACC_Z: 1010

Motion sensor instance 3:ACC_X: -21, ACC_Y: -25, ACC_Z: 1024

Motion sensor instance 3:GYR_X: 2590, GYR_Y: -3990, GYR_Z: -1960

Environmental sensor instance 0:Temp: +27.27 degC

Environmental sensor instance 1:Temp: +27.22 degC

Environmental sensor instance 1:Press: 1010.59 hPa

Environmental sensor instance 2:Hum: 43.87 %

Environmental sensor instance 2:Temp: +27.07 degC

运动传感器的字符串形如Motion sensor instance 0:MAG_X: -393, MAG_Y: -417, MAG_Z: -46

有效信息为传感器id，传感器类型（磁力计、加速度计、陀螺仪），三轴物理量数值

环境传感器的字符串形如Environmental sensor instance 0:Temp: +27.28 degC

有效信息为传感器id，传感器类型（温度、湿度、气压），环境物理量数值

上位机接收并通过正则表达式解析串口数据，控制UI页面的变化。

遇到的问题：停止串口接收时，上位机闪退，需要在串口数据接收前判断串口是否关闭。

软件流程图

此小节主要描述解决方案的软件实现，提出实现项目功能的技术路线。

上位机程序流程图

开发板程序流程图

功能展示

核心代码片段及说明

MCU核心代码

初始化外设

int main(void)
{
	//...
	MX_GPIO_Init();
	MX_USART2_UART_Init();
	MX_I2C1_Init();
	MX_MEMS_Init();
}

初始化传感器

void MX_IKS4A1_DataLogTerminal_Init(void)
{
	//...
	IKS4A1_MOTION_SENSOR_Init(IKS4A1_LSM6DSV16X_0, MOTION_ACCELERO | MOTION_GYRO); // 1
  IKS4A1_MOTION_SENSOR_Init(IKS4A1_LSM6DSO16IS_0, MOTION_ACCELERO | MOTION_GYRO); // 3
  IKS4A1_MOTION_SENSOR_Init(IKS4A1_LIS2DUXS12_0, MOTION_ACCELERO); // 2
  IKS4A1_MOTION_SENSOR_Init(IKS4A1_LIS2MDL_0, MOTION_MAGNETO); // 0
	IKS4A1_ENV_SENSOR_Init(IKS4A1_SHT40AD1B_0, ENV_TEMPERATURE | ENV_HUMIDITY); // 2
  IKS4A1_ENV_SENSOR_Init(IKS4A1_LPS22DF_0, ENV_TEMPERATURE | ENV_PRESSURE); // 1
  IKS4A1_ENV_SENSOR_Init(IKS4A1_STTS22H_0, ENV_TEMPERATURE); // 0
	//...
}

初始化Qvar传感器功能

/* Enable Qvar functionality */
  lsm6dsv16x_ah_qvar_mode_t mode;
  mode.ah_qvar_en = 1;

  if (lsm6dsv16x_ah_qvar_mode_set(&(pObj->Ctx), mode) != LSM6DSV16X_OK)
  {
    return LSM6DSV16X_ERROR;
  }

获取Qvar值

LSM6DSV16X_Object_t* pObj = LSM6DSV16X_GetQvar();
lsm6dsv16x_all_sources_get(&(pObj->Ctx), &all_sources);
if ( all_sources.drdy_ah_qvar ) {
  lsm6dsv16x_ah_qvar_raw_get(&(pObj->Ctx), &qvar_data);
  sprintf((char*)tx_buffer,"QVAR [mV]:%6.2f\r\n", lsm6dsv16x_from_lsb_to_mv(qvar_data));
  printf((char*)tx_buffer);
}

用户点按和滑动行为捕获

每隔50ms判断Qvar值的变化，从而识别用户触摸状态

void MX_IKS4A1_DataLogTerminal_Process(void)
{

	// 定义变量
	static float_t t1 = 0;
  static float_t t2 = 0;
  static uint8_t t = 0;
  static uint8_t t_click = 0;
  static uint8_t t_sensor = 0;
  static uint8_t flag_push = 0;
  static uint8_t flag_click = 0;
  static uint8_t flag_double_click = 0;

	t1 = t2; // 获得上一个时刻Qvar的值
	//...
	t2 = lsm6dsv16x_from_lsb_to_mv(qvar_data);
	// 状态判断
	if (t2 < -50 && t1 > 50)
  {
    printf("CMD:up\r\n"); // 左滑
    flag_push = 0;
    
  }
  else if (t2 > 50 && t1 < -50)
  {
    printf("CMD:down\r\n"); // 右滑
    flag_push = 0;
  }
  else if ((-10 < t2 && t2 < 10) && (t1 < -50 || t1 > 50))
  {
    // printf("release\r\n");
    t2 = 0; t1 = 0;
    if (flag_click && flag_push && t_click < 10)
    {
      flag_double_click = 1;
      printf("CMD:double_click\r\n"); // 双击
      t = 0;
      flag_click = 0;
    }
    else if(flag_push && t < 5) // 一秒内按下并抬起
    {
      flag_click = 1;
      t_click = 0;
      // printf("click\r\n");
    } 
    flag_push = 0;
  }
  else if ((-10 < t1 && t1 < 10) && (t2 < -50 || t2 > 50))
  {
    // printf("push\r\n");
    flag_push = 1;
    t = 0;
  }
  
  // 1s发送一次传感器数据
  if (t_sensor == 20){
    t_sensor = 0;
    //...
  }

  HAL_Delay( 50 );
  t_sensor++;
  t++;
  t_click ++; // 从第一次点击后开始计时
  if (t > 30){ // 长时间不点击，重置变量
    t = 0;
    t_click = 0;
    flag_click = 0;
    flag_double_click = 0;
    flag_push = 0;
  }
}

上位机核心代码（Python)

更新所选择传感器的按钮背景为黄色

# ...
		def update_selected_button_styles(self, button_index):
        self.selected_button_index = button_index
        # 清除所有按钮的高亮样式
        default_style = "QPushButton { border: 1px solid rgb(124, 124, 124); background-color: none; border-radius:2px;}"
        for button in self.display_pushButtons:
            button.setStyleSheet(default_style)

        # 设置当前选中的按钮的高亮样式
        active_style = "QPushButton { border: 1px solid rgb(124, 124, 124); background-color: yellow; border-radius:2px;}"
        self.display_pushButtons[self.selected_button_index].setStyleSheet(active_style)
        self.current_button_index = self.selected_button_index
        self.stackedWidget.setCurrentIndex(button_index)

更新待选择传感器的按钮边框为虚线

# ...
	def update_current_button_styles(self):
        default_style = "QPushButton { border: 1px solid rgb(124, 124, 124); background-color: none; border-radius:2px;}"
        if self.same_flag:
            active_style = "QPushButton { border: 1px solid rgb(124, 124, 124); background-color: yellow; border-radius:2px;}"
            self.display_pushButtons[self.selected_button_index].setStyleSheet(active_style)
            self.same_flag = 0
        for i, button in enumerate(self.display_pushButtons):
            if i == self.current_button_index:
                if self.current_button_index == self.selected_button_index:
                    active_style = "QPushButton {border: 1px dashed #000000; background-color: yellow;}"
                    self.same_flag = 1
                else:
                    active_style = "QPushButton {border: 1px dashed #000000; background-color: none;}"

                button.setStyleSheet(active_style)
            elif i != self.selected_button_index:

                button.setStyleSheet(default_style)

开启串口接收并更新传感器数值

电脑使用的COM口为COM9，根据实际情况进行修改

		def start_serial(self):
        self.serial_manager = SerialManager(com="COM9")
        self.serial_manager.command_received.connect(self.update_cmd_display)
        self.serial_manager.env_data_received.connect(self.update_env_display)
        self.serial_manager.motion_data_received.connect(self.update_motion_display)
        self.serial_manager.start()
		def update_env_display(self, sensor_id, sensor_type, data_value):
			if sensor_id == 0: # STTS22H button 7
				if sensor_type == "Temp":
					self.textEdit7_1.setText(str(data_value))
					elif sensor_id == 1: # LPS22DF button 6
				if sensor_type == "Temp":
					self.textEdit6_1.setText(str(data_value))
				elif sensor_type == "Press":
					self.textEdit6_2.setText(str(data_value))
					# ...

使用正则表达式解析关键信息

def run(self):
        pattern_motion = r"Motion sensor instance (\d+):([A-Z]+)_X: (-?\d+), ([A-Z]+)_Y: (-?\d+), ([A-Z]+)_Z: (-?\d+)"
        pattern_env = r"Environmental sensor instance (\d+):([A-Za-z]+): ([\+\-\d\.]+) ([a-zA-Z%]+)"
        self.ser = serial.Serial(self.COM, baudrate=115200, timeout=1, parity=serial.PARITY_NONE, rtscts=0)
        self.sio = io.TextIOWrapper(io.BufferedRWPair(self.ser, self.ser))
        self.running = True
        while self.running and self.sio:
            line = self.sio.readline().strip()  # Remove leading/trailing whitespace
            if line.startswith("CMD:"):
                data = line[4:]
                self.command_received.emit(data)
            else:
                # match_env = re.search(pattern_env, line)
                match_env = re.findall(pattern_env, line)
                if match_env:
                    sensor_id = match_env[0][0]
                    sensor_type = match_env[0][1]
                    data_value = match_env[0][2]
                    self.env_data_received.emit(int(sensor_id), sensor_type, float(data_value))
                else:
                    match_motion = re.findall(pattern_motion, line)
                    if match_motion:
                        sensor_id = match_motion[0][0]
                        sensor_type = match_motion[0][1]
                        values = [int(match_motion[0][2]), int(match_motion[0][4]), int(match_motion[0][6])]
                        self.motion_data_received.emit(int(sensor_id), sensor_type, values)

实现效果

上位机的显示布局效果如下图所示。

用户有两种途径切换不同传感器的数据展示页面，一是直接在上位机中点击相应按钮，而是通过左右滑动和双击静电传感器来选择。当用户左右滑动时，待选定的按钮样式发生变化，按钮的外边框为虚线，当用户双击时，按钮背景变黄，并在右边页面显示相关传感器数据。

UI中显示了以下关键信息

1. 运动和环境传感器名称
2. 各种物理量的测量数据
3. 开启和关闭串口的按钮
4. 按钮的样式可代表当前选择的传感器和待选定的传感器。

可实现开启或关闭串口功能，具体测试效果可观看演示视频。

总结

本项目依托X-NUCLEO-IKS4A1和NUCLEO-G0B1平台，完成交互式传感器数据可视化功能。在此过程中阅读传感器数据手册和平台驱动代码，分别编写MCU端的驱动代码和上位机的UI逻辑代码，完成串口通信和数据解析，最终顺利完成任务。