车载传感器数据研究-MPU6050

Posted 2020-12-23 shihuc

今天要说的是一款测试加速度和角速度的6轴陀螺仪。在车载设备应用领域，有着很重要的价值，尤其是现在做基于驾驶行为的车险创新领域，车主的驾驶行为，无外乎就是急加速，急减速，急转弯这三急是最为重要的信息。

 

今天以6050为引子，同时介绍一下，车载设备采集数据后，通过4G模块传递数据，在TCP/IP通信层面，如何计算数据流量的问题。

 

（一）首先，6050的加速度数据结构，就要知道，他是一个16位的AD芯片，加速度，从空间的角度分析，分为X，Y，Z三个方向，每一个方向都是16位的精度。

这里，需要说明的是数据采集的精度问题，有4种设置模式，0-3. 选择对应的精度范围，AFS_SEL=0对应的量程是正负2g(即4g量程)，AFS_SEL=3对应的量程是正负16g(即32g量程)。

这里涉及到采样数据的精度问题，多说几句，对于不太理解量程精度的读者，有一点点帮助价值。

1. 因为6050是一个16位的AD采样芯片，很直观的理解，量程越大，对于采样位宽固定的情况下，每一个bit位的变化，映射到的量程范围是不一样的。
2. 16位，对应的值65536种状态，对应量程为正负2g时，每一个g所占用的位宽是16384（即 65536/4=16384，单位LSB/g），同理，量程为正负16g时，每一个g所占用的位宽是2048（即65536/32=2048，单位LSB/g）
3. 上述中LSB在这里是最小有效位的意思

因为加速度涉及X，Y，Z三个方向，每个方向的逻辑一样的，所以，这里就不再多说。

 

角速度的采集的采集逻辑，和加速度类似。

这里的数据精度分析，和加速度一样，角速度也有4种量程模式，同样的量程越大，精度越小。具体分析，参照加速度的精度分析逻辑。

 

 

（二）接下来，要说的是，车载设备采集加速度和角速度后，如何基于TCP向后台系统传递数据最省流量呢？

因为数据采样宽度是16位，所以需要2个字节传递一个方向的采样数据。就加速而言，一次采样数据就得6个字节，同理，角速度也需要6个字节。这样，加速度和角速度全采集，一次一共就是12个字节。

另外，对于匀速行驶的车辆，或者说车速变化不大的数据采集，就会存在传递的数据重复性太大，占用流量，没有产生太多价值，如何解决这个问题呢？

 

就好像我们看到的视频编码格式，最典型的H.264，为何他的编码压缩率那么高，视频质量也还是不错？就是因为他采用的是差值编码，穿插有参考帧，然后，解码的时候结合参考帧恢复视频图像。将时间轴这个维度充分利用起来，不再是独立帧解决自己的那一亩三分地的事情。

 

我们的数据传递，渗流量，同样可以采取这种模式，只传递差值，周期性的参考值，防止误差漫延。

 

 

（三）车载设备消耗数据流量，如何计算这个流量呢？这个也是一个重点内容。

首先，要知道，无论基于任何通信协议或者方式传递消息，要让消息接收端能够很好的，正确的解析出内容的含义，就必然要约定一套通信规范，双方都能解读。就像我们人类语音一样，中国人是普通话，英美是英语，中国人和美国人聊天，彼此双方都懂这种聊天的语言才能继续下去，不管是说中文还是英文。

打比方，这次新冠病毒残害全人类，搞得大家生活工作受到极大的影响，假如我们人类懂CONV-19病毒的语言，我们就知道他想干啥，只可惜，我们对他的行动和所做所谓，不理解，或者不完全理解，所以，人类受到了极大的创伤。

 

话说回来，这个理解相互交流的语言的过程，就是基于一定的规范。

TCP通信，基于IP网络层，然后向下，依托以太网链路层，将数据传递到网络的对端目的地。这个过程非常复杂，我这里只是介绍，这个规范里面到底消耗了多少字节的信息，来保证通信两端能够解析彼此。

 

上图，是一个比较标准的TCP/IP的数据包的结构。TCP的数据部分，对应的是应用层数据，在我们这里，就是要传递的MPU6050采集的加速度和角速度数据。典型的，若不采用差值传递，就按每帧全数据采集（PCM编码基本思想，典型的案例AVI视频编码），采样一次12个字节。

那么传递这12个字节，需要多少通信额外开销呢？就要看TCP，IP以及以太网帧的帧结构基本字节数了。

 

（1）TCP的帧结构（端口号只是参考而已）

上图说明，TCP的包头部分，最小大小20字节。

 

（2）IP帧结构

从上面的帧结构可以看出，IP帧结构的最小大小也是20字节

 

（3）以太网帧结构

从上图可以看出，以太网帧包括目的MAC地址，源端MAC地址，类型，以及帧尾部的校验位CRC。每一个单元的字节长度在图上有标识。一共是6+6+2+4=18字节。

注意，以太网帧的数据部分字节数为46~1500字节，也就是说，对于TCP的报文，哪怕传一个空报文，也是要占46个字节的（空TCP报文，应该是20字节的IP包，加上20字节的TCP报文部分，即一共40字节）。那么这里，应该是40字节，为何是46字节，那多余的6字节那来的呢？

这里是题外话了，多余的6字节，是以太网协议完成的，在以太网封包的时候，校验到上层的数据不足46字节时，会在后面补充PAD数据，满足46字节。

 

另外，还有一点需要明确的，以太网帧，从网卡传递出去的时候，需要在帧前添加引导字段（8字节），以及整个以太网帧的帧校验和字段（4字节），其排列结构如下图

 

这么一来，我们传递12个字节的MPU6050的采样数据，其实传递到后台的，是8 + （（6+6+2）+（（20）+（20）+12）+4=78字节，注意，在用wireshark抓包时，只会看到66字节，因为前端的premable前导8字节和最后FCS/CRC的4字节，在网卡接收端将其去掉了。

 

 

综上，

计算网络传输流量，要相对精确的计算，就是要考虑网络通信协议的开销，以及数据载荷的开销

数据载荷的开销，若涉及降本增效的话，就要用到算法，压缩编码，节省流量