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树莓派 + MCC 118 实现数据采集

吃瓜阿阳

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最近从树莓派实验室拿到一块 MCC 118 DAQ 扩展板的试用，这是我第一次接触专业的 DAQ 采集卡，怀着对数据采集的好奇开始摸索。

首先了解到这个板卡可以同时支持8路数据采集，但我这里暂时只需要用到其中1路来实现一个环境光线的采集。
我会使用一个安放在室外、具有模拟输出功能的光线传感器模块，采集其模拟电信号，并线性转换成一个光照的亮度指数。
在室内的一个鱼缸里，我安装了一个LED氛围灯，并尝试用采集到的室外光照亮度指数来设置这个LED氛围灯的亮度。
最终实现室内鱼缸的光照度和室外自然光照度实时同步，我的爱鱼也能实时感受到室外的天气变化了~

材料清单

树莓派（Raspberry Pi）一块
MCC 118 DAQ HAT 一块
光线传感器模块（带模拟输出）一个
RGB LED 模块一个（共阴或共阳，本例使用共阴）
面包板一块
杜邦线若干
瑞士军刀扩展板一块（可选）

一、安装环境

树莓派建议安装官方的 Raspbian 系统，不需要特别的配置。直接开始部署 MCC 118 配套的 SDK 和范例试试数据采集卡的工作情况，步骤如下（这里直接参考了这篇教程）。

sudo apt-get update
sudo apt-get install git
cd ~
git clone https://github.com/mccdaq/daqhats.git
cd ~/daqhats
sudo ./install.sh
pip install dash dash-renderer dash-html-components dash-core-components

二、接线

先看光线传感器模块。

为什么用带模拟输出（AO）的光线传感器呢？是因为这款传感器如果只有数字输出（DO）的话，其输出的数据只能是高电平或低电平，只能反映光线是否达到某个设定的值，而无法反映出光线的强弱。
但树莓派本身并没有 ADC，无法直接读取模拟电信号（信号的强弱和光线强弱相关）。这时 MCC 118 DAQ 就派上用场了。

MCC 118 的排座设计将GPIO全部引出了，很方便外接其他传感器。

引脚连接表
光线传感器：VCC — 树莓派：5V
光线传感器：GND — MCC 118：GND
光线传感器：AO — MCC 118：CH1
RGBLED模块：GND — 树莓派：GND
RGBLED模块：R — 树莓派：BCM 17
RGBLED模块：G — 树莓派：BCM 27
RGBLED模块：B — 树莓派：BCM 22

三、测量采集和数值换算

启动 Web 波形图程序：

cd ~/daqhats/examples/python/mcc118/web_server
./web_server.py

接下来就可以在浏览器中打开 http://:8080 访问了。将其中的 替换成树莓派的 IP 地址或主机名。

要想停止 Web 服务，可以回到命令行界面按下 Ctrl+C 中止。

首先试试看这个传感器的AO输出的电压范围，用 MCC 118 SDK 中自带的 web_server 范例可以非常方便的检测到。这是一个类似示波器的应用，启动之后在浏览器打开，选择通道1后启动数据采集，通过开关灯可以看到电压的实时变化。

通过完全遮住光线传感器的光敏电阻，看到AO输出电压最大升至5V；用手机自带闪光灯照射在光敏电阻上，看到AO输出电压最小降到0V。看来0~5V就是这个传感器的模拟电信号输出范围（图表显示的电压伏特数是精确到小数点后6位的）。

为了简化后面的程序，我把0~5V的电压范围通过简单的公式换算到 100 ~ 0 的范围内，而树莓派的 PWM 支持的参数范围也是 0 ~ 100，这样刚好可以用树莓派的 PWM 来设置 LED 的亮度。

# 从通道1读取模拟电信号（电压）
value = hat.a_in_read(1, options)
# 光照亮度指数换算
light_index = 100 - round(value * 1000 / 50)

# 根据光照亮度指数，通过 PWM 来设置LED的光照强度和颜色
# 红色光
pwmR.ChangeDutyCycle(light_index)
# 绿色光
pwmG.ChangeDutyCycle(light_index)
# 蓝色光
pwmB.ChangeDutyCycle(100)

其效果是白天光线最强时鱼缸灯光达到最强的白色光，到晚间，灯光中的红色和绿色光源逐渐减弱至0，则呈现出夜晚的蓝色光氛围。

四、代码和运行

完整代码如下，这个代码是在 MCC 118 范例 single_value_read 基础上修改而来的（范例做得清晰易懂很方便修改）。

#!/usr/bin/env python
#  -*- coding: utf-8 -*-
from __future__ import print_function
from time import sleep
from sys import stdout
from daqhats_utils import select_hat_device, enum_mask_to_string
from daqhats import mcc118, OptionFlags, HatIDs, HatError

# RGBLED
import RPi.GPIO

# Constants
CURSOR_BACK_2 = ''
ERASE_TO_END_OF_LINE = ''

# RGBLED
R,G,B=17,27,22
 
RPi.GPIO.setmode(RPi.GPIO.BCM)
 
RPi.GPIO.setup(R, RPi.GPIO.OUT)
RPi.GPIO.setup(G, RPi.GPIO.OUT)
RPi.GPIO.setup(B, RPi.GPIO.OUT)
 
pwmR = RPi.GPIO.PWM(R, 70)
pwmG = RPi.GPIO.PWM(G, 70)
pwmB = RPi.GPIO.PWM(B, 70)
 
pwmR.start(0)
pwmG.start(0)
pwmB.start(0)

def main():
    """
    This function is executed automatically when the module is run directly.
    """
    options = OptionFlags.DEFAULT
    low_chan = 0
    high_chan = 3
    mcc_118_num_channels = mcc118.info().NUM_AI_CHANNELS
    sample_interval = 0.5  # Seconds
    light_index = 0

    try:
        # Get an instance of the selected hat device object.
        address = select_hat_device(HatIDs.MCC_118)
        hat = mcc118(address)

        print('
MCC 118 single data value read example')
        print('    Options:', enum_mask_to_string(OptionFlags, options))
        try:
            input("
Press 'Enter' to continue")
        except (NameError, SyntaxError):
            pass

        print('
Acquiring data ... Press Ctrl-C to abort')

        try:
            while True:
                # Read a single value from each selected channel.
                value = hat.a_in_read(1, options)
                light_index = 100 - round(value * 1000 / 50)
                led_display(light_index)
                print('
{:12.5} V'.format(value), '	Index:{:5.4}'.format(light_index), end='')

                stdout.flush()

                # Wait the specified interval between reads.
                sleep(sample_interval)

        except KeyboardInterrupt:
            # Clear the '^C' from the display.
            print(CURSOR_BACK_2, ERASE_TO_END_OF_LINE, '
')

    except (HatError, ValueError) as error:
        print('
', error)

    pwmR.stop()
    pwmG.stop()
    pwmB.stop()
 
    RPi.GPIO.cleanup()

def led_display(index):
    #print(index)
    pwmR.ChangeDutyCycle(index)
    pwmG.ChangeDutyCycle(index)
    pwmB.ChangeDutyCycle(100)

if __name__ == '__main__':
    # This will only be run when the module is called directly.
    main()

将程序代码文件 light.py 上传至树莓派，进入程序所在目录运行：
python light.py

光照强度指数最大时效果如下。

光照强度指数最小时效果如下。

应用到鱼缸（效果图）。

五、延伸应用

做这个实验的过程中在想如果 MCC 118 能自带一款显示屏用来显示采集到的实时数据就好了，后来发现手头有一款集成了数码管的瑞士军刀扩展板，刚好可以插在这个 MCC 118 引出的排针上，如图：

瑞士军刀扩展板也有很方便的 SDK，简单的整合了两部分代码，就实现了数码管动态显示光照强度指数，并能控制板载的8个LED实现1-8级亮度的小夜灯。

完整代码如下：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
from __future__ import print_function
from time import sleep
from sys import stdout
from daqhats_utils import select_hat_device, enum_mask_to_string
from daqhats import mcc118, OptionFlags, HatIDs, HatError
from sakshat import SAKSHAT
import time

# RGBLED
import RPi.GPIO

#Declare the SAKS Board
SAKS = SAKSHAT()

# Constants
CURSOR_BACK_2 = ''
ERASE_TO_END_OF_LINE = ''

# RGBLED
R,G,B=17,27,22
 
RPi.GPIO.setmode(RPi.GPIO.BCM)
 
RPi.GPIO.setup(R, RPi.GPIO.OUT)
RPi.GPIO.setup(G, RPi.GPIO.OUT)
RPi.GPIO.setup(B, RPi.GPIO.OUT)
 
pwmR = RPi.GPIO.PWM(R, 70)
pwmG = RPi.GPIO.PWM(G, 70)
pwmB = RPi.GPIO.PWM(B, 70)
 
pwmR.start(0)
pwmG.start(0)
pwmB.start(0)

def main():
    """
    This function is executed automatically when the module is run directly.
    """
    options = OptionFlags.DEFAULT
    low_chan = 0
    high_chan = 3
    mcc_118_num_channels = mcc118.info().NUM_AI_CHANNELS
    sample_interval = 0.5  # Seconds
    light_index = 0

    try:
        # Get an instance of the selected hat device object.
        address = select_hat_device(HatIDs.MCC_118)
        hat = mcc118(address)

        print('
MCC 118 single data value read example')
        print('    Options:', enum_mask_to_string(OptionFlags, options))
        try:
            input("
Press 'Enter' to continue")
        except (NameError, SyntaxError):
            pass

        print('
Acquiring data ... Press Ctrl-C to abort')

        SAKS.buzzer.off()

        try:
            while True:
                # Read a single value from each selected channel.
                value = hat.a_in_read(1, options)
                light_index = 100 - round(value * 1000 / 50)
                led_display(light_index)
                print('
{:12.5} V'.format(value), '	Index:{:5.4}'.format(light_index), end='')

                stdout.flush()

                # Wait the specified interval between reads.
                sleep(sample_interval)

        except KeyboardInterrupt:
            # Clear the '^C' from the display.
            print(CURSOR_BACK_2, ERASE_TO_END_OF_LINE, '
')

    except (HatError, ValueError) as error:
        print('
', error)

    pwmR.stop()
    pwmG.stop()
    pwmB.stop()
 
    RPi.GPIO.cleanup()

def led_display(index):
    #print(index)
    pwmR.ChangeDutyCycle(index)
    pwmG.ChangeDutyCycle(index)
    pwmB.ChangeDutyCycle(100)
    SAKS.digital_display.show(("##%d" % int(index)))
    if index < 50:
        SAKS.ledrow.set_row([True, True, True, True, True, True, True, True])
    else:
        SAKS.ledrow.set_row([False, False, False, False, False, False, False, False])


if __name__ == '__main__':
    # This will only be run when the module is called directly.
    main()

六、小结

看起来在专业领域才会接触到的数据采集，实际上也可以应用在日常的 DIY 实验之中。MCC 118 这块数据采集卡配以完善的程序库和范例，是树莓派平台上很容易上手的数据采集方案。在它的帮助下，我的爱鱼也能实时感受到室外的天气变化了~

相关视频：

基于树莓派的电压采集模块MCC 118网络服务器范例

https://url.cn/utoHpkH2?sf=uri

基于树莓派的电压采集模块MCC 118数据记录仪例程

https://url.cn/VxXgwhEx?sf=uri

目前 MCC 118 扩展板可通过 Measurement Computing 公司官网购买获得 http://china.mccdaq.com。

有关本产品的相关问题和支持可以在 https://talk.quwj.com/topic/916 讨论，可获得 MCC 工程师专业的解答和技术支持。

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    文章来源： 树莓派实验室
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