IIM-42352 STM32F4 FFT 频域输出上位机显示 振动分析系统

? 项目概述

基于STM32F4和IIM-42352传感器的数据并进行FFT算法解析成频域信息，并使用上位机显示 专业振动分析系统，支持高分辨率频域分析和实时数据显示。

主要特性

• ? 高分辨率频谱分析: 257点FFT，1.953Hz频率分辨率
• ? 真实数据显示: 输出真实物理量，无人为放大
• ? 灵活的Y轴控制: 自动/手动/对数缩放，支持g/mg/μg单位转换
• ? 专业上位机: 中英文双版本，完整的显示控制功能
• ? 向后兼容: 同时支持21点和257点数据格式

技术规格

• 传感器: IIM-42352 (±4g, 1000Hz采样)
• 处理器: STM32F4系列
• FFT分辨率: 512点，0-500Hz频率范围
• 通信接口: UART (115200bps)
• 数据精度: 32位浮点数

?? 系统架构

传感器采集 → FFT处理 → 协议封装 → 串口传输 → 上位机显示
    ↓           ↓         ↓         ↓         ↓
IIM-42352 → STM32F4 → 自定义协议 → UART → Python GUI

? 项目结构

IIM-42352-STM32F4/
├── Core/
│   ├── Src/
│   │   ├── main.c                    # 主程序
│   │   ├── fft_processor.c           # FFT处理模块
│   │   ├── protocol_handler.c        # 协议处理模块
│   │   └── example-raw-data.c        # 传感器配置
│   └── Inc/
│       ├── fft_processor.h
│       ├── protocol_handler.h
│       └── main.h
├── Iim423xx/                         # 传感器驱动库
├── vibration_analyzer_chinese.py     # 中文版上位机 (推荐)
├── vibration_analyzer_pro_en.py      # 英文版上位机
├── demo_analyzer.py                  # 演示版上位机
├── data_validator.py                 # 数据验证工具
└── README.md                         # 本文档

? STM32配置总结

硬件配置

• MCU: STM32F4系列 (推荐STM32F407VGT6)
• 时钟: 168MHz主频
• 内存: 192KB RAM, 1MB Flash
• 接口: SPI (传感器), UART (通信)

传感器接口配置

// SPI配置
SPI_InitTypeDef SPI_InitStruct;
SPI_InitStruct.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
SPI_InitStruct.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
SPI_InitStruct.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
SPI_InitStruct.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;
SPI_InitStruct.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;
SPI_InitStruct.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
SPI_InitStruct.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_16;

UART配置

// UART配置 (115200bps)
UART_HandleTypeDef huart;
huart.Instance = USART1;
huart.Init.BaudRate = 115200;
huart.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
huart.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
huart.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
huart.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;

FFT配置

// FFT参数
#define FFT_SIZE 512
#define SAMPLE_RATE 1000.0f
#define FREQ_RESOLUTION (SAMPLE_RATE / FFT_SIZE)  // 1.953Hz

? 传感器配置总结

IIM-42352配置参数

// 基本配置
采样率: IIM423XX_ACCEL_CONFIG0_ODR_1_KHZ     // 1000Hz
量程:   IIM423XX_ACCEL_CONFIG0_FS_SEL_4g     // ±4g
模式:   IS_LOW_NOISE_MODE                    // 低噪声模式
分辨率: IS_HIGH_RES_MODE                     // 高分辨率模式

振动优化滤波器

// 专用振动分析滤波器配置
rc |= inv_iim423xx_set_reg_bank(&icm_driver, 2);
data = 0x7E;  // ACCEL_AAF_DELT: 63
rc |= inv_iim423xx_write_reg(&icm_driver, MPUREG_ACCEL_CONFIG_STATIC2_B2, 1, &data);
data = 0x80;  // ACCEL_AAF_DELTSQR: 3968
rc |= inv_iim423xx_write_reg(&icm_driver, MPUREG_ACCEL_CONFIG_STATIC3_B2, 1, &data);
data = 0x3F;  // ACCEL_AAF_BITSHIFT: 3
rc |= inv_iim423xx_write_reg(&icm_driver, MPUREG_ACCEL_CONFIG_STATIC4_B2, 1, &data);

数据处理流程

1. 原始数据采集: 16位ADC → 浮点数转换
2. FFT预处理: 窗函数 → 512点FFT
3. 幅度计算: 复数 → 幅度谱
4. 物理量转换: ADC值 → 真实g值 (0.001f缩放)

? 通信协议总结

协议格式

帧头(2) + 命令(1) + 长度(2) + 载荷(N) + 校验(1) + 帧尾(1)
0xAA55  + CMD    + LEN     + DATA   + CHK    + 0x0D

命令定义

数据格式

// 载荷结构
typedef struct {
    uint32_t timestamp;           // 时间戳
    float magnitudes[257];        // 幅度数据 (真实g值)
} spectrum_data_t;

校验算法

// XOR校验
uint8_t checksum = cmd;
for(int i = 0; i < payload_len; i++) {
    checksum ^= payload[i];
}
checksum ^= (payload_len & 0xFF);
checksum ^= ((payload_len >> 8) & 0xFF);

?? 上位机配置总结

版本对比

核心功能模块

# 主要类结构
class ProtocolParser:           # 协议解析
class VibrAnalyzer:            # 主界面
    - setup_ui()               # 界面初始化
    - setup_plot()             # 图表初始化
    - receive_data()           # 数据接收
    - update_plot()            # 实时显示

显示控制功能

• Y轴缩放: 自动/手动/对数三种模式
• 单位转换: g/mg/μg实时转换
• 快速缩放: 微振动(0-1mg)/小振动(0-10mg)/中振动(0-100mg)/大振动(0-1g)
• 显示选项: 网格开关、峰值标注、实时统计

? 参数总结

关键参数配置

// STM32端参数
#define SAMPLE_RATE 1000.0f           // 采样率
#define FFT_SIZE 512                  // FFT点数
#define SCALING_FACTOR 0.001f         // 物理量缩放系数
#define SENSOR_RANGE_G 4.0f           // 传感器量程

// 频率参数
频率分辨率: 1.953Hz (1000Hz/512)
频率范围: 0-500Hz
数据点数: 257点 (单边谱)

性能参数

• 数据更新率: ~2Hz
• 传输带宽: ~2KB/s
• 延迟: <100ms
• 精度: 32位浮点数 (~7位有效数字)
• 动态范围: 0.0001g - 4g

? 功能总结

STM32端功能

• ? 传感器数据采集: 1000Hz高速采集
• ? 实时FFT处理: 512点FFT，窗函数优化
• ? 协议封装: 自定义高效协议
• ? 串口通信: 115200bps稳定传输
• ? 双模式支持: 21点兼容模式 + 257点高分辨率模式

上位机功能

• ? 实时频谱显示: 连续曲线/柱状图双模式
• ? 灵活显示控制: 多种缩放模式和单位转换
• ? 峰值自动检测: 实时标注最大峰值
• ? 数据统计: 更新率、峰值频率、幅度统计
• ? 中英文支持: 双语言界面，字体优化

数据处理功能

• ? 真实物理量: 输出真实g值，无人为放大
• ? 高精度显示: 支持微振动显示 (0.0001g级别)
• ? 多单位支持: g/mg/μg自动转换
• ? 实时验证: 数据完整性检查和验证工具

? 使用方法

1. 硬件连接

STM32F4 ←→ IIM-42352 (SPI接口)
STM32F4 ←→ PC (USB转串口)

2. 软件部署

# 编译烧录STM32代码
1. 打开STM32CubeIDE
2. 导入项目
3. 编译 (Build All)
4. 烧录 (Run/Debug)

# 运行上位机
python vibration_analyzer_chinese.py  # 中文版 (推荐)
# 或
python vibration_analyzer_pro_en.py   # 英文版

3. 操作步骤

1. 连接硬件设备
2. 选择串口 (通常COM6)
3. 点击"连接"按钮
4. 调整显示设置:
   - 如果数据太小: 点击"微振动(0-1mg)"
   - 或切换单位到"mg"/"μg"
5. 观察实时频谱显示

? 测试方法

1. 功能验证测试

# 运行验证脚本
python comprehensive_verification.py

# 检查项目:
- 协议解析功能 ?
- 频率映射精度 ?  
- 峰值检测算法 ?
- 数据缩放处理 ?
- GUI组件功能 ?

2. 数据真实性测试

# 静态测试
1. 保持传感器完全静止
2. 记录基线噪声 (应 < 0.001g)
3. 观察频谱稳定性

# 动态测试  
1. 轻敲传感器附近表面
2. 观察频谱变化
3. 验证峰值检测准确性

# 频率验证
1. 用手机播放50Hz/100Hz音频
2. 将手机靠近传感器
3. 验证对应频率峰值出现

3. 性能测试

# 数据传输测试
1. 检查更新频率 (目标: ~2Hz)
2. 检查数据完整性
3. 长时间稳定性测试 (>1小时)

# 精度测试
1. 对比已知振动源
2. 验证幅度测量精度
3. 验证频率测量精度

4. 显示功能测试

# Y轴缩放测试
1. 测试自动缩放功能
2. 测试手动范围设置
3. 测试对数显示模式

# 单位转换测试
1. 验证g/mg/μg转换正确性
2. 测试快速缩放按钮
3. 验证数值显示精度

? 故障排除

常见问题

调试工具

python data_validator.py # 数据验证
python fix_chinese_font.py # 字体修复
python demo_analyzer.py # 功能演示

? 项目成果

技术突破

• ? 高分辨率升级: 从21点提升到257点 (12.8倍分辨率提升)
• ? 真实数据显示: 摒弃人为放大，显示真实物理量
• ? 专业显示控制: 灵活的Y轴缩放和单位转换
• ? 中文界面优化: 完美解决字体显示问题

应用价值

• ? 精密设备监测: 可检测0.0001g级别的微振动
• ? 机械故障诊断: 高分辨率频谱分析
• ? 振动测试平台: 专业的测试和分析工具
• ? 教学研究: 完整的振动分析系统示例