Arduino上的高精度时序用于串行通信

我正在使用Arduino Uno通过串行端口将时间和电压信息发送到Python进行绘图。但是，连续时间戳之间的间隔时间似乎随着时间而增加，影响了我的绘图。当波特率设置为9600时尤其如此，我的初始时间差可能是1320，而在相对较短的时间后增加到16400。当此速率设置为最大115200 bps时，即使经过较长时间的发送，更改也较慢且不那么明显，从1340到1500。所有时间均以微秒为单位。

我想知道我是否可以减少或消除这种影响，以及是否不知道为什么存在。我已经阅读了有关引起这种情况的中断和延迟的内容，但是我不完全了解当前电子设备的复杂性，并且想知道：

我可以在时间上获得更高的精度吗？
是什么原因导致时间变化？

这是我目前拥有的：

#include <eHealth.h>

extern volatile unsigned long timer0_overflow_count;
float fanalog0;
int analog0;
unsigned long time;    

byte serialByte;
void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() { 
  while (Serial.available()>0){  
    serialByte=Serial.read();
    if (serialByte=='S'){        
      while(1){
        fanalog0=eHealth.getECG();  
        // Use the timer0 => 1 tick every 4 us
        time=(timer0_overflow_count << 8) + TCNT0;        
        // Microseconds conversion.
        time=(time*4);   
        //Print in a file for simulation
        //Serial.print(time);
        //Serial.print(" ");
        Serial.print(fanalog0,5);
        Serial.print("\n");

        if (Serial.available()>0){
          serialByte=Serial.read();
          if (serialByte=='F')  break;
        }
      }
    }
  }
}

arduino-uno serial time

— 用户名
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您所说的“精确”是什么意思？计数器给出的时间将相当准确，准确并且具有良好的分辨率。您是否希望时间是确定性的（即始终相同）？

— Cybergibbons 2014年

抱歉，是的，我想这就是我的意思，因为它们之间的差异是一致的，如果不一致，则不是它们的原因

— user3284376 2014年

在PC端而非Arduino端添加时间戳，或使用RTC（实时时钟）模块。在各种网上商店中找到RTC模块都非常便宜，只需确保商店链接到数据表即可。另一种方法是对计时器进行编程，并使用中断服务程序来获取合理准确的时序。

— jippie 2014年

怎么eHealth.getECG()办？该通话是否总是持续相同的时间？

— jfpoilpret 2014年

您可以指定“相对较短的时间”持续多长时间吗？重新启动Arduino后总是一样吗？

— jfpoilpret 2014年

Answers:

使用计时器和ISR（中断服务程序）可以使计时更加准确。

看看我的1ms定时中断概念证明。这个想法是在系统中有一个合理准确的1ms“心跳”，可用于触发其他事件。在PoC中，它用于使LED以½Hz频率闪烁，但可以访问新变量millisecondCounter，secondCounter并使您能够在任意（但准确定时）的时刻触发主循环中的事件。

— 吉比
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您的PoC非常有趣，但是它有一个缺陷（易于修复），因为它在启用中断时（在中loop()）读取2字节的值，该值由ISR修改。可能会loop()读取错误的值（在ISR进行修改的中间）。我已经在您的博客上对此发表了评论。

— jfpoilpret 2014年

@jfpoilpret有趣的一点是，您从未想到会在从RAM检索值的途中发生中断。我今天晚上要检查反汇编并更新文章。也许也是写另一篇文章的好理由：o）

— jippie

我从您的PoC创建了一个样本，可以看到问题至少在我的UNO上每10秒发生一次。但是，当然，实际上，它在很大程度上取决于您的工作loop()：我的样本仅获得毫秒值，将其表示为先前的读取值，并且如果差值> 0（将计数器重置为0除外），则会显示一条消息。

— jfpoilpret 2014年

@jfpoilpret从未真正注意到它。我只是用它作为心跳来监视猫的食物桶，并在猫可能会感到失望的时候使LED闪烁...; o）肯定会改变我以后使用ISR的方式。

— jippie 2014年

它显示了连接到模块ATMEGA16U2的晶体和连接到ATMEGA328P-PU的谐振器。16U2用于串行接口，而328P是“ Arduino”。有趣的是，16U2能够将其时钟发送到另一个芯片，例如328P。

— Udo Klein

我可以想到一些可能影响串行写入时序“一致性”的事情：

要打印的数据大小

这可能是最明显的考虑因素，但实际上打印的次数越多，处理它所花费的时间就越多。

解决方案：将字符串打印格式化为已知长度的字符串。

使用缓冲串行

在Unix上，您可以使用缓冲或非缓冲方式访问串行端口。长时间使用缓冲方式可能会使缓冲速度变慢，通常是在数据输入速度比读取速度快时发生的。

解决方案：使用无缓冲的串行线（例如：在Darwin / OSX上/dev/cu.usbmodemXXX代替/dev/tty.usbmodemXXX）

计时器的优先级

看起来您使用的是TC中断，并且AVR在处理中断的方式上具有优先级，我不知道Atmega328的优先级顺序，它也不是最有据可查的功能之一，所以我不知道TC0与UART中断相比有多安全？

解决方案：在文档/数据表中进一步查找有关中断优先级的信息，并在需要时更改定时器；和/或在不运行其他计时器的情况下进行测试。

随着时间的流逝，您正在读取的数据需要更多的时间来读取

一些驱动程序需要对先前的值求平均值或进行一些操作，因此，测量的值越多，缓冲区越长，计算该值所花费的时间就越长，直到达到缓冲区的最大大小为止。

解决方案：查看正在使用的库的源代码，并对其进行优化，如果有的话，将其删除，或者考虑增加的处理时间。

避免arduino框架的开销

但是，如果您真的想优化arduino的串行输出，则应避免使用arduino开销……但是这样使用起来不那么优雅和舒适。

我敢肯定，我还缺少其他要点，但这是我进一步研究之前要检查的第一件事。

高温超导

— mo
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您的代码在后续测量中包括输出的持续时间。因此，根据输出的长度，您将测量不同的时间。可以通过格式化为固定长度的输出来解决此问题。

下一个问题是联合国办事处的时基很差。在这里查看不同Arduino类型与DCF77时间参考的比较。

结论：如果您需要精确的时序，请选择带有晶体的Arduino或使用RTC。我强烈建议使用DS3231 / DS3232 RTC，因为它们通常开箱即用可达到2 ppm的精度。

— 乌多·克莱因
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