Понимание того, почему следует избегать «String» и альтернативных решений

Для фиксированных строк (которые не изменяются) используйте, например, F("Text")... это поместит строку во флэш-память, а не в кучу. Обратите внимание, что Uno имеет 32 КБ флэш-памяти и 2 КБ SRAM (которая, помимо прочего, используется для кучи).

Если вам нужны строки переменного размера, но одна или несколько одновременно, создайте специальный буфер (например, 64 байта) и используйте этот буфер для всех операций со строками. Он все время будет занимать 64 байта, но не оставит пробелов в куче. Вы можете создать его как глобальную переменную (просто):

char string_buffer[64];

и использовать этот string_buffer для строковых операций.

Обратите внимание, что пробелы в куче вредны для всех устройств/операционных систем, однако, поскольку в Arduino очень мало встроенной SRAM, она быстро заполняется при использовании строк без учета управления памятью.

Система чата, которую я использовал «в прошлом», использовала фиксированный буфер строк на основе «стека».

В основном в начале программы создается один буфер char * фиксированного размера, который инициализируется значением 0.

Затем к этому буферу добавлялись строки с использованием подходящих на тот момент функций. Указатель сохранялся, указывающий на начало «свободного» пространства в буфере. Это указатель, который использовался для помещения нового текста в этот буфер.

Затем весь буфер печатался в выходной поток одним блоком, первый байт очищался, а указатель сбрасывался на начало буфера.

Это сделало очень эффективный и простой строковый буфер, который никоим образом не фрагментировал память и по-прежнему позволял использовать стандартные строковые функции C, такие как sprintf(), strcpy() и т. д.

Например:

char strbuf[128] = { 0 };
char *strptr = strbuf;

strcpy_P(strptr, (PGM_P)F("Temp = "));
strptr += strlen(strptr);
itoa(temperature, strptr, 10);
strptr += strlen(strptr);

Serial.println(strbuf);
strbuf[0] = 0;
strptr = strbuf;

Я бы использовал sprintf со статически выделенным буфером.

Например

заменить

// Подготовка данных для сохранения файла:
String dataString = ""; // строка для сборки данных в лог:

// Добавляем метку времени:
dataString += String(Time0); dataString += ",";

// Добавляем данные MPU6050 в строку:
dataString += String(AcX); dataString += ",";
dataString += String(AcY); dataString += ",";
dataString += String(AcZ); dataString += ",";
dataString += String(GyX); dataString += ",";
dataString += String(GyY); dataString += ",";
dataString += String(GyZ);

с

static char pippo[PIPPO_SIZE];
int ret = sprintf(pippo, "%lu,%d,%d,%d,%d,%d,%d",
                         (uint32_t) Time0, AcX, AcY, AcZ, GyX, GyY, GyZ);

// Это просто в целях отладки для проверки кода
if (ret < 0) {
    // ошибка: байт не записан
} else if (ret >= PIPPO_SIZE) {
    // сбой: записано слишком много байт, я ошибся :(
} else {
    // Ok
}

---

Размер буфера pippo вычисляется следующим образом:

• 1 байт на каждую запятую, у вас 6
• 6 байтов для каждой переменной int16_t (5 байтов для цифр плюс 1 байт для знака, который, однако, может вам не понадобиться)
• 10 байтов для Time0, который, как я предполагаю, имеет тип unsigned long, который в Arduino составляет 32 бита. .
• 1 байт для закрытия \0

Так что должно быть 1 * 6 + 6 * 6 + 10 + 1 = 53, если только я не ошибся. Добавьте следующее в начало вашей программы:

#define PIPPO_SIZE 53

---

Мотивация использования статически выделенной памяти проста и уже указана в вашем вопросе: объединение объектов String приводит к повторным вызовам new и удалить с последующим выделением и освобождением динамической памяти, которая фрагментируется. Более того, подход, основанный на String, интуитивно медленнее, потому что для выполнения одной и той же простой задачи требуется гораздо больше шагов.

String неплохо сама по себе, но в вашем приложении вы хотите выжимать из производительности все до последнего фрагмента, вот и все.

Эдгар очень хорошо отвечает на ваш первый вопрос о String и печати. У Маженко также есть хорошее описание здесь ловушек.

Относительно вашего второго вопроса о GPS/эффективности/скорости:

1. использовать NeoGPS,
2. используйте AltSoftSerial,
3. использовать MPU FIFO,
4. используйте последнюю версию SdFat,
5. остерегайтесь задержек записи SD и
6. закрыть файл журнала в какой-то момент.

---

1. NeoGPS – это самый маленький, быстрый и точный из доступных парсеров GPS. Примеры программ правильно структурированы, и есть пример для ведения журнала SD.

В отличие от других библиотек, в NeoGPS есть FIFO с исправлениями. Это позволяет избежать «выборки» GPS с некоторой частотой, определяемой millis(). Кристалл Arduino не так точен, как атомные часы GPS, поэтому ваша скорость регистрации должна основываться на появлении доступных исправлений, ровно одно в секунду. Ваш набросок будет «дрейфовать» относительно обновлений GPS, периодически теряя фиксацию (в зависимости от точности кристалла).

2. Возможно, самое большое улучшение, которого вы могли бы добиться, это НЕ использовать SoftwareSerial. Это очень неэффективно, потому что отключает прерывания на длительные периоды времени. На 9600 он отключает прерывания на 1 мс, пока принимается каждый символ от GPS-устройства. Arduino мог бы выполнить ~10000 инструкций за это время, но вместо этого он вертит пальцами, ожидая исключительно поступления каждого бита байта... -_-

Вместо этого следует использовать AltSoftSerial, так как вы подключили устройство GPS к нужным контактам 8 & 9. Если бы вы использовали два других контакта, вы могли бы использовать мой NeoSWSerial. Обе эти библиотеки намного, намного эффективнее, чем SoftwareSerial.

3. Если вам нужны равномерно распределенные выборки MPU, переведите устройство в режим FIFO. Он будет записывать выбранные регистры в FIFO в выбранное время выборки. Это также дает вам некоторую гибкость при чтении образца: вам просто нужно прочитать его до того, как 1024-байтовый FIFO заполнится.

4. Вы используете старую версию библиотеки SD. Я настоятельно рекомендую вам использовать последнюю библиотеку SdFat. В нем много улучшений и исправлений ошибок.

5. Запись некоторых SD-карт иногда занимает больше времени. Время записи 47 мс не является чем-то необычным. На самом деле, 100 мс довольно распространены. Если за это время буфер MPU FIFO не переполнится, вы не потеряете образцы MPU.

Если вы обнаружите, что запись SD иногда приводит к переполнению FIFO, возможно, вам придется изменить библиотеку SDFat, чтобы она вызывала функцию yield во время ожидания завершения записи. Эта функция yield может в это время считывать данные из FIFO, сохраняя образцы в области ОЗУ Arduino.

6. Я бы порекомендовал вам закрывать файл журнала, когда происходит какое-либо событие. Может нажатие кнопки? Вы можете использовать светодиод, чтобы показать, что регистрация активна или неактивна. Вы также можете наблюдать за неактивностью в течение некоторого периода времени (нет скорости, нулевые значения MPU).

---

С учетом этих предложений, вот версия NeoGPS/AltSoftSerial/SdFat вашего исходного скетча (проверено GPS, непроверено MPU/SD, но компилируется):

#include <SPI.h>
#include <SdFat.h>
#include <NMEAGPS.h>
#include <Wire.h>
#define ARDUINO_USD_CS 10 // контакт CS карты USB (контакт 10 на SparkFun GPS Logger Shield)

//////////////////////////
// Определения файла журнала //
//////////////////////////
// Имейте в виду, что библиотека SD имеет максимальную длину имени файла от 8,3 до 8 символов префикса,
// и 3-символьный суффикс.
char logFileName[13] = "gpslogXX.csv";
// Наши файлы журнала называются "gpslogXX.csv", поэтому "gpslog99.csv" является нашим максимальным файлом.
#define MAX_LOG_FILES 100 // Количество файлов журнала, которые можно создать

// Данные для регистрации:
#define LOG_COLUMN_HEADER \
  "longitude," "latitude," "altitude," "speed," "course," "date," "time," \
  "satellites," "Acc.X," "Acc.Y," "Acc.Z," "Gy.X," "Gy.Y," "Gy.Z," "Temp"
  // печатается в начале файла.

SdFat SD;
File  logFile;

//////////////////////////
// Определения NeoGPS //
//////////////////////////
NMEAGPS gps; // объект NeoGPS, который будет использоваться повсюду
gps_fix fix; // Последняя информация GPS, полученная от gpsPort
#define GPS_BAUD 9600 // Скорость передачи модуля GPS по умолчанию

//////////////////////////////////
// Определения последовательного порта GPS //
//////////////////////////////////
// Если вы используете Mega, Leo или Due, используйте Serial1 для GPS:
//#определить gpsPort Serial1

// Если вы используете Arduino Uno или другую плату ATmega328, которая использует
// 0/1 UART для программирования/мониторинга последовательного порта, используйте AltSoftSerial:
#include <AltSoftSerial.h>
AltSoftSerial gpsPort; // Всегда на контактах 8 & 9
//Если вы не можете использовать контакты 8 & 9, используйте это:
//#include <NeoSWSerial.h>
//NeoSWSerial gpsPort( 2, 3 ).

// Определяем последовательный порт монитора. На Uno, Mega и Leonardo это «Serial».
// на других платах это может быть 'SerialUSB'
#define SerialMonitor Serial

//#определить USE_MPU
const int MPU=0x68;  // I2C-адрес MPU-6050
int16_t AcX,AcY,AcZ,Tmp,GyX,GyY,GyZ;


void setup()
{
  Wire.begin();
  Wire.beginTransmission(MPU);
  Wire.write(0x6B);  // регистр PWR_MGMT_1
  Wire.write(0);     // установить в ноль (пробуждает MPU-6050)
  Wire.endTransmission(true);

  SerialMonitor.begin(9600);
  gpsPort.begin(GPS_BAUD);

  SerialMonitor.println( F("Setting up SD card.") );

  updateFileName(); // Каждый раз, когда мы начинаем, создаем новый файл, увеличивая номер
  // смотрим, присутствует ли карта и может ли она быть инициализирована:
  if (!SD.begin(ARDUINO_USD_CS))
  {
    SerialMonitor.println( F("Error initializing SD card.") );
  } else {
    logFile = SD.open( logFileName, FILE_WRITE );
    // Печатаем заголовок вверху нового файла
    logFile.println( F(LOG_COLUMN_HEADER) );
  }

}

void loop()
{
  Wire.beginTransmission(MPU);
  Wire.write(0x3B);  // начиная с регистра 0x3B (ACCEL_XOUT_H)
  Wire.endTransmission(false);
  Wire.requestFrom(MPU,14,true);  // запрашиваем всего 14 регистров
  AcX=Wire.read()<<8|Wire.read();  // 0x3B (ACCEL_XOUT_H) & 0x3C (ACCEL_XOUT_L)
  AcY=Wire.read()<<8|Wire.read();  // 0x3D (ACCEL_YOUT_H) & 0x3E (ACCEL_YOUT_L)
  AcZ=Wire.read()<<8|Wire.read();  // 0x3F (ACCEL_ZOUT_H) & 0x40 (ACCEL_ZOUT_L)
  Tmp=Wire.read()<<8|Wire.read();  // 0x41 (TEMP_OUT_H) & 0x42 (TEMP_OUT_L)
  GyX=Wire.read()<<8|Wire.read();  // 0x43 (GYRO_XOUT_H) & 0x44 (GYRO_XOUT_L)
  GyY=Wire.read()<<8|Wire.read();  // 0x45 (GYRO_YOUT_H) & 0x46 (GYRO_YOUT_L)
  GyZ=Wire.read()<<8|Wire.read();  // 0x47 (GYRO_ZOUT_H) & 0x48 (GYRO_ZOUT_L)

  while (gps.available( gpsPort )) {
    fix = gps.read();  // получить всю структуру исправления, один раз в секунду

    if (logGPSData()) { // Регистрируем данные GPS
      SerialMonitor.println( F("GPS logged.") ); // Печатаем отладочное сообщение
    } else {// Если нам не удалось зарегистрировать GPS
      // Вывести ошибку, не обновлять lastLog
      SerialMonitor.println( F("Failed to log new GPS data.") );
    }
  }
}


byte logGPSData()
{
  if (logFile.isOpen())
  { // Выводим долготу, широту, высоту (в футах), скорость (в милях в час), курс
    // in (градусы), дата, время и количество спутников.

    if (fix.valid.location)
      logFile.print(fix.longitude(), 6);
    logFile.print(',');
    if (fix.valid.location)
      logFile.print(fix.latitude(), 6);
    logFile.print(',');
    if (fix.valid.altitude)
      logFile.print(fix.altitude() * 3.2808, 1);
    logFile.print(',');
    if (fix.valid.speed)
      logFile.print(fix.speed_mph(), 1);
    logFile.print(',');
    if (fix.valid.heading)
      logFile.print(fix.heading(), 1);
    logFile.print(',');

    if (fix.valid.date) {
      logFile.print( fix.dateTime.full_year() );
      if (fix.dateTime.month < 10)
        logFile.print( '0' );
      logFile.print( fix.dateTime.month );
      if (fix.dateTime.date < 10)
        logFile.print( '0' );
      logFile.print( fix.dateTime.date );
    }
    logFile.print(',');

    if (fix.valid.time) {
      if (fix.dateTime.hours < 10)
        logFile.print( '0' );
      logFile.print( fix.dateTime.hours );
      if (fix.dateTime.minutes < 10)
        logFile.print( '0' );
      logFile.print( fix.dateTime.minutes );
      if (fix.dateTime.seconds < 10)
        logFile.print( '0' );
      logFile.print( fix.dateTime.seconds );
    }
    logFile.print(',');

    if (fix.valid.satellites)
      logFile.print(fix.satellites);
    logFile.print(',');
    logFile.print(AcX);
    logFile.print(',');
    logFile.print(AcY);
    logFile.print(',');
    logFile.print(AcZ);
    logFile.print(',');
    logFile.print(GyX);
    logFile.print(',');
    logFile.print(GyY);
    logFile.print(',');
    logFile.print(GyZ);
    logFile.print(',');
    logFile.print(Tmp);
    logFile.println();
    logFile.flush(); // убедитесь, что файл содержит как минимум столько

    return 1; // Возвращаем успех
  }

  return 0; // Если нам не удалось открыть файл, возвращаем ошибку
}

// updateFileName() - Просматривает файлы журнала, уже имеющиеся на карте,
// и создает новый файл с увеличенным файловым индексом.
void updateFileName()
{
  for (uint8_t i; i < MAX_LOG_FILES; i++)
  {
    // Установить для logFileName значение "gpslogXX.csv":
    logFileName[6] = (i/10) + '0';
    logFileName[7] = (i%10) + '0';

    if (!SD.exists(logFileName))
      break; // Мы нашли наш индекс

    SerialMonitor.print(logFileName);
    SerialMonitor.println( F(" exists") );
  }
  SerialMonitor.print( F("File name: ") );
  SerialMonitor.println(logFileName);
}

В исходном скетче использовалось 24 114 байт программного пространства и 1 690 байт ОЗУ. Версия NeoGPS использует 21198 байт программного пространства и 1400 байт ОЗУ, значительная экономия.

Незначительные моменты:

• Макрос F используется для экономии оперативной памяти.
• Он открывает файл журнала в setup и очищает его после каждого обновления GPS. Вам следует выяснить, когда следует закрыть файл журнала.
• Он считывает образцы IMU максимально быстро, но вам следует переключиться на подход FIFO
• Для создания имени файла журнала не используется sprintf (это экономит место для программы)
• Заголовок столбца не обязательно должен быть массивом строк символов. Это может быть один #define. Макрос F применяется при печати.
• Он печатает поля GPS, только если они имеют допустимое значение.
• Комментарии в разделе порта GPS были неверными по поводу использования SoftwareSerial на Mega.
• Очевидные комментарии удалены. else оператора if не заслуживает комментария // else. -_-

Теперь для Arduino доступна библиотека SafeString через диспетчер библиотек (мой :-) )
SafeStrings ХОРОШИ для Arduino
Они всегда помещаются только в статическую или стековую память и, таким образом, полностью исключают фрагментацию кучи, создание небольших временных объектов и ненужное копирование данных, НИКОГДА не вызывают перезагрузку вашего скетча и содержат обширные сообщения об отладке и ошибках.

SafeStrings предназначены для начинающих и включают расширенную проверку ошибок и подробные сообщения об ошибках, которые помогут вам найти ошибки и исправить код. SafeStrings также исправляет ряд ошибок в коде String.

Есть подробное руководство по адресу
https://www.forward.com.au/pfod/ArduinoProgramming/SafeString/index.html
и обширные примеры включены в библиотеку, включая синтаксический анализ/токенизацию

В этом случае, поскольку SafeString реализует почти всю функциональность String, можно легко заменить EVIL Strings GOOD SafeString

    #include "SafeString.h"
    createSafeString(dataString,60); // выделить глобальную 60-байтовую строку безопасности только один раз,
// для сборки данных в лог
// Вы также можете использовать createSafeString внутри метода, если вам нужна локальная SafeString
    .. .. .. 
    void setup() {
    Serial.begin(9600);
    // ....
    SafeString::setOutput(Serial); // включить отправку сообщений об отладке/ошибке в Serial
    // Таким образом, вы получите сообщение, если в dataString закончится место (но без перезагрузки)
    // ....
    }
    
    // Подготовка данных для сохранения файла:
    
    // Добавляем метку времени:
    dataString = Time0; dataString += ","; // или же ',';
    
    // Добавляем данные MPU6050 в строку:
    // здесь не создаются новые строки!!!
    dataString += AcX; dataString += ","; 
    dataString += AcY; dataString += ","; 
    dataString += AcZ; dataString += ","; 
    dataString += GyX; dataString += ","; 
    dataString += GyY; dataString += ","; 
    dataString += GyZ;
    
    // так далее ....
    
    // SafeString можно распечатать, поэтому можно использовать println(dataString)
    // вы также можете напечатать в SafeString, чтобы вы могли использовать, например
    // dataString.print(AcX);
    // для доступа ко всем функциям форматирования, предоставляемым печатью

Какое решение является наиболее эффективным и быстрым для чтения и хранения данных с акселерометра и GPS?

Вы не указываете, насколько быстро достаточно быстро, и как долго вы хотите записывать данные. В частности, для данных акселерометра.

Это предлагаемое решение будет регистрировать примерно 800 отсчетов акселерометра в секунду (7 x 16-битных целых чисел) непрерывно в течение 30 дней.

Есть две проблемы i) чтение и разбор GPS и чтение акселерометра ii) сохранение данных на SD-карте.

Чтение/анализ данных GPS требует времени. В этом руководстве Последовательный ввод-вывод Arduino для реального мира рассматривается буферизация последовательного ввода, анализ Данные GPS и буферизация последовательного (текстового/отладочного) вывода. Чтение данных акселерометра происходит намного быстрее, оставляйте их в бинарном виде.

Сохранение данных на SD-карте может быть очень медленным. Пример AnalogBinLogger Билла Греймана в более ранней версии его библиотеки SdFat Arduino использует предварительно выделенный и стертый файл SD и специальные записи блоков для минимизации задержки SD. https://github.com/greiman/Sd Fat (код для более ранней версии с AnalogBinLogger)

В этом проекте Высокочастотная и длительная регистрация данных используется модуль Uno /Mega для хранения 512-байтовых блоков данных на SD-карте менее чем за 1 мс каждый блок непрерывно в течение 30 дней. Он использует прерывание для сбора данных АЦП и два буфера по 512 байт для сбора входящих данных и записи на SD-карту.

Применяя эти два проекта к вашей ситуации, вы можете

1. Используйте на Mega2560 для чтения/буферизации/фильтрации/анализа данных GPS и чередования их с данными акселерометра и буферизации их для двоичной передачи в второй Mega2650 через последовательный порт (115200 бод), т.е. ~11,5 Кбайт/сек. Для 7 переменных акселерометра x int16_t это будет около 800 выборок в секунду по последовательному соединению в двоичном формате. Стандартного 64-байтного буфера TX Serial для Mega2560 должно быть достаточно.

2. Во втором Mega265 вам нужно изменить обработчик прерываний UART для одного из UART, чтобы заполнить текущий буфер SD вместо обычного приемного буфера. Когда буфер заполнен, прерывание заменяет его на второй буфер, как в проекте высокоскоростного регистратора выше.

Второй Mega также будет иметь командный и управляющий последовательный ввод для подготовки SD-карты и запуска/остановки хранилища.

Единый подход

Поскольку SD-запись блока 512 занимает < 1 мс, вы также можете объединить эти два процесса во внутреннюю память.

Чтение/буферизация/анализ заполняют блок 512. Когда он заполнен, заблокируйте его на 1 мс, пока SD записывает этот буфер. Такой подход уменьшит частоту дискретизации акселерометра. См. Простая многозадачность Arduino, чтобы узнать, как чередовать задачи чтения/анализа GPS с выборкой. акселерометр и запись на SD-карту