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【功率监测与控制系统DIY活动过程贴】功率计与LabVIEW数据采集

本文介绍了 NUCLEO-F411RE 开发板通过硬件 I2C 实现 INA219 功率传感器的驱动与 OLED 显示的功率计，并进一步结合 LabVIEW 上位机，通过串口中断采集功率数据的项目设计。

项目介绍

一、介绍 LabVIEW 软件及其关键组件、工具、模块、VISA 串口程序包等；

二、使用 STM32CubeMX 新建工程，并添加驱动工程代码、串口中断查询代码；

三、创建 LabVIEW 上位机，通过串口发送指令，获取 INA219 传感器数据功率信息；

四、运行 LabVIEW 上位机程序， OLED 实时显示电压、电流和功率信息，同时 LabVIEW 前面板显示功率演化曲线、数据保存，实现功率演化数据的采集。

LabVIEW

LabVIEW （Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是 National Instruments（NI）公司开发的一种图形化编程语言。主要用于数据采集、仪器控制、工业自动化以及测试测量系统的开发。

2023年，NI 被艾默生电气（Emerson）收购。

关键组件

1.前面板（Front Panel） 用户交互界面，包含按钮、图表、指示灯等控件。

2.程序框图（Block Diagram） 图形化编程区域，通过连线连接函数、结构和子VI。

3. VI（Virtual Instrument） LabVIEW程序的基本单元，每个VI包含前面板和程序框图，可嵌套使用。

4. 工具包与模块

DAQmx：数据采集驱动；

Vision Development Module：机器视觉处理；

LabVIEW NXG：新一代Web化设计工具。

详见：艾默生旗下测试和测量系统 - NI .

硬件连接

PB9 ---- SDA (INA219)

PB10 ---- SCL (INA219)

PB7 ---- SDA (OLED)

PB6 ---- SCL (OLED)

GND (INA219) ---- Negative (Motor) ---- Negative (Power Supply)

IN+ (INA219) ---- Positive (Power Supply)

IN- (INA219) ---- Positive (Motor)

示意图

实物连接

工程创建

实现 INA219 和 OLED 的硬件 IIC 驱动、串口中断查询信息。

这里使用 STM32CubeMX 快速创建工程。

1.打开 STM32CubeMX 软件，新建 ST 板卡工程；

2.时钟配置：采用默认设置，系统时钟频率 84MHz；

3. Pinout & Configuration 标签下选择 Connectivity - 使能 I2C1 和 I2C2 以及 USART2 ；

4. 勾选使能串口中断，以实现串口发送指令查询数据；

5.配置完成后，进入 Project Manager 标签栏，进行项目命名、保存路径设置、编译器选择等操作；

6.点击 Generate Code 按钮，使用 STM32CubeIDE 或 Keil 打开目标工程；

7.编译工程，0 error, 0 warning .

工程代码

结合前面关于 OLED 屏幕以及 INA219 传感器的硬件 IIC 驱动方案，添加 oled.h 、 oled.c 、 oledfont.h 、ina219.h、ina219.c 文件至指定路径。

添加代码实现 printf 重定向、串口输出浮点型数据

1.进入项目资源管理器，右键项目，选择属性；

2.在弹出的对话框中，选择 C/C++ Build ，展开 C/C++ Build 并选择 Settings ；

3.选择 Tool Settings - MCU Settings ；

4.勾选 Use float with printf from newlib-nano (-u printf float) ；

5.点击 Apply 应用自动重新构建项目，点击 Apply and Close 保存配置。

6.右键项目 - 属性 - C/C++ Build - Setting - Tool Settings - MCU GCC Linker - Miscellaneous - Other flags - 点击添加符号，输入 -u_printf_float ，应用并关闭。

详见：【功率监测与控制系统DIY活动过程贴】OLED显示 、【功率监测与控制系统DIY活动过程贴】INA219功率信息检测与实时显示 .

流程图

main.c 关键代码如下

/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "i2c.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "ina219.h"
#include "stdio.h"
#include "oled.h"
#include "string.h"
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */
/* -------- Private variables ------*/
#define CMD_LENGTH 3
uint8_t uart_rx_buffer[CMD_LENGTH];  // 接收指令缓冲区
uint8_t uart_rx_index = 0;          // 接收索引
uint8_t command_received = 0;       // 指令接收完成标志
/* USER CODE END PTD */

/* USER CODE BEGIN PD */
#ifdef __GNUC__
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
#else
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int fputc(int ch, FILE *f)
#endif

PUTCHAR_PROTOTYPE
{
 HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)&ch,1,HAL_MAX_DELAY);
    return ch;
}
/* USER CODE END PD */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */
void process_command(void);
/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
// 串口接收回调函数
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if(huart->Instance == USART2) {
        uart_rx_index++;
        if(uart_rx_index >= CMD_LENGTH) {
            uart_rx_index = 0;
            command_received = 1;  // 设置指令接收完成标志
        }
        // 重新启动接收
        HAL_UART_Receive_IT(&huart2, &uart_rx_buffer[uart_rx_index], 1);
    }
}

// 处理接收到的指令
void process_command(void)
{
    // 检查指令前缀是否为0x55 0xAA
    if(uart_rx_buffer[0] == 0x55 && uart_rx_buffer[1] == 0xAA)
    {
        switch(uart_rx_buffer[2])
        {
            case 0x10:  // 读取电压
            {
                float busVoltage = INA219_GetBusVoltage_V();
                printf("%.2f\r\n",busVoltage);
                break;
            }

            case 0x11:  // 读取电流
            {
                float current = INA219_GetCurrent_mA();
                printf("%.2f\r\n",current);
                break;
            }

            case 0xFF:  // 读取功率
            {
                float power = INA219_GetPower_mW();
                printf("%.2f\r\n",power);
                break;
            }

            default:
                // 无效指令，可以发送错误码
                uint8_t error_code = 0xEE;
                HAL_UART_Transmit_IT(&huart2, &error_code, 1);
                break;
        }
    }
    command_received = 0;  // 清除标志
}

void data_display()
{
     float busVoltage = INA219_GetBusVoltage_V();
  //float shuntVoltage = INA219_GetShuntVoltage_mV();
  float current = INA219_GetCurrent_mA();
  float power = INA219_GetPower_mW();
  OLED_ClearLinePart(2, 45, 99);
  OLED_ClearLinePart(3, 45, 99);
  OLED_ShowDecimal(45,2,current,2,2,16,0);
  OLED_ClearLinePart(4, 45, 99);
  OLED_ClearLinePart(5, 45, 99);
  OLED_ShowDecimal(45,4,busVoltage,2,2,16,0);
  OLED_ClearLinePart(6, 45, 99);
  OLED_ClearLinePart(7, 45, 99);
  OLED_ShowDecimal(45,6,power,2,2,16,0);
}
/* USER CODE END 0 */

int main(void)
{
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */
  INA219_Init(&hi2c2);
  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_I2C1_Init();
  MX_I2C2_Init();
  MX_USART2_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  // 启动串口接收中断
  HAL_UART_Receive_IT(&huart2, &uart_rx_buffer[0], 1);
  // OLED display frame
      OLED_Init();
       OLED_Clear();
       /* --- 1st row --- */
       OLED_ShowString(0,0,"DIY",16,1); // DIY
       OLED_ShowCHinese(24,0,0,1); // 功
       OLED_ShowCHinese(39,0,1,1); // 率
       OLED_ShowCHinese(54,0,2,1); // 监
       OLED_ShowCHinese(69,0,3,1); // 测
       OLED_ShowCHinese(84,0,4,1); // 与
       OLED_ShowCHinese(99,0,5,1); // 控
       OLED_ShowCHinese(113,0,6,1); // 制
       /* --- 2nd row --- */
       OLED_ShowCHinese(0,2,7,0); // 电
       OLED_ShowCHinese(15,2,9,0); // 流
       OLED_ShowChar(30,2,':',16,0);
       OLED_ShowString(100,2,"mA",16,0);
       /* --- 3rd row --- */
       OLED_ShowCHinese(0,4,7,0); // 电
       OLED_ShowCHinese(15,4,8,0); // 压
       OLED_ShowChar(30,4,':',16,0);
       OLED_ShowString(100,4,"V",16,0);
       /* --- 4th row --- */
       OLED_ShowCHinese(0,6,0,0); // 功
       OLED_ShowCHinese(15,6,1,0); // 率
       OLED_ShowChar(30,6,':',16,0);
       OLED_ShowString(100,6,"mW",16,0);
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE BEGIN 3 */
   if(command_received)
   {
    process_command();
    data_display();
   }
   HAL_Delay(0);
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

★ 注意用户自定义代码需写入 /* USER CODE BEGIN x */ 和 /* USER CODE END x */ 之间，确保CubeMX再次生成工程，代码不会被覆盖。

保存代码，编译工程，运行程序，则固件上传至 NUCLEO-F411RE 开发板，程序运行。

LabVIEW 上位机

介绍了 LabVIEW 上位机向开发板发送串口指令，获取 INA219 传感器电压和电流数据，并绘制功率数值演化曲线。

前面板

功能实现：

1.配置串口

2.运行程序

3.点击 Start 开始采集数据

4.点击 Stop 停止采集

5.点击 Terminate 终止程序。

程序框图

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效果

打开串口调试助手，以十六进制发送 55 AA 10 获得电压信息，发送 55 AA 11 获得电流信息，发送 55 AA FF 获得功率信息。

LabVIEW 上位机演示

演示了开启电机瞬间的电压、电流以及功率的变化情况。

分析

可以看出，直接采集 INA219 传感器获取的数据存在较大的抖动，可采取 滤波算法 （软件滤波、低通滤波、滑动平均等）进行参数优化，使输出功率更为稳定、更符合实际情况。

总结

本文介绍了 NUCLEO-F411RE 开发板通过硬件 I2C 实现 INA219 功率传感器的驱动与 OLED 显示，并进一步结合 LabVIEW 上位机，通过串口中断采集功率数据的项目设计，为相关产品及项目的开发设计提供了参考。