4. 数据采集基础：传感器数据读取方式

数据采集是整个标定流程的起点。说白了，你后面所有的算法、模型、补偿曲线，都建立在原始数据之上。如果这一步没做好，后面全是白搭。

我个人习惯把数据采集拆成三个核心问题：怎么读？怎么拆？怎么对齐？ 今天我们就一个一个来啃。

4.1 三种主流读取方式：串口、I2C、SPI

做嵌入式这么多年，我接触过的传感器接口无非就这三种。每种都有它的脾气，选错了接口，轻则丢数据，重则整个系统跑飞。

4.1.1 串口（UART）—— 最灵活，但最慢

串口的好处是简单。两根线（TX、RX），一收一发，全双工。我在项目中遇到过用串口接温湿度传感器的场景，波特率设到115200，基本够用。

但要注意：串口没有时钟线，收发双方得提前约定好波特率。一旦对不上，收到的就是乱码。

// 串口初始化示例（STM32 HAL库）
UART_HandleTypeDef huart1;
huart1.Instance = USART1;
huart1.Init.BaudRate = 115200;
huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
HAL_UART_Init(&huart1);

// 接收一帧数据（中断方式）
uint8_t rx_buffer[64];
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, rx_buffer, 10);

4.1.2 I2C —— 多设备，两根线搞定

I2C用两根线（SCL、SDA）挂载多个设备，每个设备有独立地址。嗯，这里要注意：地址冲突是我踩过最多的坑。曾经有一次，两个传感器用了同一个地址，结果读出来的数据乱七八糟，排查了整整一下午。

I2C是半双工，速度一般（标准模式100kHz，快速模式400kHz）。适合读取配置寄存器、慢速传感器（如温度、湿度）。

// I2C读取传感器数据示例
uint8_t reg_addr = 0x00;  // 寄存器地址
uint8_t data[2];

HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, (SENSOR_ADDR << 1), ®_addr, 1, 100);
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, (SENSOR_ADDR << 1), data, 2, 100);

// data[0]和data[1]就是传感器原始值

4.1.3 SPI —— 快，但线多

SPI是速度之王。四根线（MOSI、MISO、SCLK、CS），全双工，速率轻松上MHz。我做过一个加速度计标定项目，用SPI读取数据，采样率能跑到10kHz以上。

但代价是：每多一个设备，就得多一根片选线。板子空间紧张的时候，这很要命。

4.2 数据帧解析 —— 从字节到物理量

传感器吐出来的是一堆字节，你得知道每个字节代表什么。这就是数据帧解析。

我曾经接手过一个项目，前任工程师把帧格式文档弄丢了。我对着示波器一比特一比特地猜，那种感觉……嗯，不想再来第二次。

4.2.1 常见帧结构

// 帧解析伪代码
uint8_t parse_frame(uint8_t *buffer, int len) {
    // 1. 找帧头
    if (buffer[0] != 0xAA || buffer[1] != 0x55) return ERROR;
    
    // 2. 取数据长度
    int data_len = buffer[2];
    
    // 3. 校验
    uint8_t checksum = 0;
    for (int i = 0; i < 3 + data_len; i++) {
        checksum += buffer[i];
    }
    if (checksum != buffer[3 + data_len]) return ERROR;
    
    // 4. 提取有效数据
    memcpy(sensor_data, &buffer[3], data_len);
    
    return OK;
}

4.3 时间戳对齐 —— 数据的时间灵魂

数据没有时间戳，就像人没有身份证。你只知道某个时刻传感器读数是100，但不知道是1秒前还是1分钟前，那这个数据就没法用。

4.3.1 为什么需要时间戳对齐？

多传感器融合时，每个传感器的采样时刻可能不同。比如IMU是100Hz，GPS是10Hz，摄像头是30Hz。如果不做时间戳对齐，你拿到的数据就是「时空错乱」的。

4.3.2 两种对齐策略

策略一：硬件时间戳

在传感器数据帧到达MCU时，立即记录当前系统时间。这是最准的方法。我习惯在中断服务函数里做这件事：

// 串口接收中断中打时间戳
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    if (huart->Instance == USART1) {
        uint32_t timestamp = HAL_GetTick();  // 毫秒级时间戳
        save_data_with_timestamp(rx_buffer, timestamp);
    }
}

策略二：软件插值对齐

如果硬件不支持，就用软件插值。比如两个传感器采样率不同，把慢速传感器的数据通过线性插值，对齐到快速传感器的时间轴上。

// 线性插值示例
float interpolate(float t, float t0, float v0, float t1, float v1) {
    return v0 + (v1 - v0) * (t - t0) / (t1 - t0);
}

4.4 本章知识体系

下面这张图总结了我们刚才讲的内容。你可以把它当作数据采集的「路线图」：

数据采集这件事，说难不难，说简单也不简单。关键是把每个环节想清楚：用什么接口读？读到的字节怎么拆？拆出来的数据怎么打上时间戳？

我个人建议，在开始写代码之前，先把这三个问题画在纸上。想清楚了再动手，能省掉后面80%的调试时间。