Binäres Protokoll für Arduino Fast Data Acquisition

Protokoll-Spezifikation

Datenformat

Start-Byte: 0xAA (170 dezimal)
Daten-Bytes: 4 Bytes (32-bit unsigned integer, little-endian)
Gesamtpaketgröße: 5 Bytes pro Messwert

Paketstruktur

Byte 0: 0xAA (Start-Byte) Byte 1: Daten LSB (niedrigstes Byte) Byte 2: Daten Byte 2 Byte 3: Daten Byte 3 Byte 4: Daten MSB (höchstes Byte)

Wertebereich

Minimum: 0 (0x00000000)
Maximum: 4,294,967,295 (0xFFFFFFFF)
Typische Werte: Mikrosekunden-Zeitstempel oder Zählerwerte

Arduino-Implementierung

Beispiel Arduino-Code (sender)

void sendValue(uint32_t value) {: Serial.write(0xAA); // Start-Byte Serial.write((byte)(value & 0xFF)); // LSB Serial.write((byte)((value >> 8) & 0xFF)); // Byte 2 Serial.write((byte)((value >> 16) & 0xFF)); // Byte 3 Serial.write((byte)((value >> 24) & 0xFF)); // MSB

}

void loop() {: uint32_t microseconds = micros(); sendValue(microseconds); delayMicroseconds(100); // 10kHz Datenrate

}

Python-Implementierung (Empfänger)

DataAcquisitionThread

Die run() Methode wurde angepasst für:

Binäre Paket-Erkennung: Sucht nach 0xAA Start-Byte
Robusten Puffer: Behandelt unterbrochene/unvollständige Pakete
Little-Endian Dekodierung: int.from_bytes(bytes, 'little')
Fehlerbehandlung: Ignoriert ungültige Pakete und synchronisiert neu

Vorteile gegenüber Textprotokoll

Aspekt     | Textprotokoll      | Binärprotokoll  |
———- | —————— | ————— |
Paketgröße | 6-12 Bytes + ‚n‘  | 5 Bytes fix     |
CPU-Last   | String-Parsing     | Direkte Bytes   |
Datenrate  | ~1kHz              | >10kHz          |
Overhead   | Hoch               | Minimal         |
Robustheit | Delimiter-abhängig | Start-Byte-Sync |

Performance-Optimierungen

Timing

read_bytes_fast timeout: 5ms (reduziert von 10ms)
Thread sleep: 0.5ms (reduziert von 1ms)
Maximale Datenrate: >10kHz theoretisch

Buffer-Management

Byte-weises Suchen: nach 0xAA Start-Byte
Packet-Validation: Prüfung der 5-Byte-Struktur
Automatische Resynchronisation: bei gestörten Daten

Beispiel-Pakete

Wert: 1000 Mikrosekunden

packet = b‘xAAxE8x03x00x00‘ value = int.from_bytes(packet[1:5], ‚little‘) # = 1000

Wert: 65535

packet = b‘xAAxFFxFFx00x00‘ value = int.from_bytes(packet[1:5], ‚little‘) # = 65535

Maximum: 4294967295

packet = b‘xAAxFFxFFxFFxFF‘ value = int.from_bytes(packet[1:5], ‚little‘) # = 4294967295

Fehlerbehandlung

Datenstrom-Synchronisation

Suche nach 0xAA in empfangenen Bytes
Validiere 5-Byte-Paketlänge
Bei Fehlern: Verwerfe Byte und suche weiter
Buffer-Overflow-Schutz bei gestörten Daten

Logging

Debug-Level: Einzelne Pakete mit Hex-Dump
Info-Level: Performance-Statistiken alle 5s
Error-Level: Dekodierung-Fehler mit Paket-Inhalt

Integration mit GUI

Die Queue-basierte Verarbeitung (100ms GUI-Updates) funktioniert unverändert:

Binäre Pakete → Queue → Batch-Processing → GUI-Update
Performance-Monitor zeigt Paket-Rate statt Zeilen-Rate
Kompatibilität mit bestehender DataController-API

Test und Validierung

Das binäre Protokoll wurde erfolgreich getestet mit:

✅ Einzelpaket-Dekodierung
✅ Gestörte Datenströme
✅ Start-Byte-Synchronisation
✅ Performance unter Last
✅ Integration mit read_bytes_fast()

Migration von Textprotokoll

Für bestehende Arduino-Sketches:

Ersetze Serial.println(value) durch sendValue(value)
Keine Änderungen in der Python-GUI erforderlich
Automatische Erkennung des Protokolls möglich