如何實現(xiàn)matlab GUI串口通信設(shè)計

本文利用Matlab GUI設(shè)計通過串口進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的界面，并利用內(nèi)置于Matlab的串口通信API實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)發(fā)送與接收功能。

1 Matlab GUl介紹

啟動Matlab后，運行g(shù)uide命令即可以啟動Matlab GUI開發(fā)工具。

新建Blank GUI，如圖2所示。

在新建Blank GUI界面中，包含了一般的界面元素，如菜單、按鈕、坐標軸、控件等。添加必要的串口通信參數(shù)設(shè)置按鈕。

運行后的界面如圖3所示。

2 串口數(shù)據(jù)發(fā)送與接收功能實現(xiàn)

2.1 建立串口通信流程的基本步驟

Matlab提供了對串口進行打開、關(guān)閉、以及串口參數(shù)設(shè)置等操作的一系列函數(shù)。利用這些函數(shù)可以選擇串口號、設(shè)置串口通信參數(shù)(波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位等)、進行中斷控制、流控制。從建立串口通信到結(jié)束串口通信的完整流程包括以下幾個步驟：

(1)為應(yīng)用程序創(chuàng)建串口對象。實現(xiàn)該功能的函數(shù)為：

其中參數(shù)port為完整的串口名稱，如cornl。PropertyName為串口通信參數(shù)，如baudrate，startbits等。創(chuàng)建串口對象的過程中，也可以忽略PropertyName。其函數(shù)為：

(2)連接打開串口。實現(xiàn)該功能的函數(shù)為：

obj即為使用創(chuàng)建串口對象函數(shù)的返回值。在連接打開串口后，可以對串口通信參數(shù)進行修改。

(3)設(shè)置或者修改串口通信參數(shù)。在能夠有效地進行串口通信前，必須設(shè)置正確的串口通信參數(shù)。實現(xiàn)該功能的函數(shù)為：

obj即為使用創(chuàng)建串口對象函數(shù)的返回值;PropertyName為串口通信參數(shù)，如baudrate，startbits等。

(4)從串口讀寫數(shù)據(jù)。在前面三個步驟正常完成后，即可以從串口讀數(shù)據(jù)或者向串口寫數(shù)據(jù)，也就是接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)。實現(xiàn)讀串口功能的函數(shù)有多個。其區(qū)別在于根據(jù)到達串口數(shù)據(jù)的類型選擇合適的讀函數(shù)。主要包括：fgetl，fgets，fread，fscanf。這里主要介紹fread，fread函數(shù)實現(xiàn)從串口讀入二進制數(shù)據(jù)。fread的實現(xiàn)形式為：

A=fread(obj，size)

A為讀入的數(shù)據(jù)，以數(shù)組的形式存儲，存儲數(shù)據(jù)形式為字節(jié);obj即為使用創(chuàng)建串口對象函數(shù)的返回值;size指定一次讀操作讀入字節(jié)的個數(shù)。實現(xiàn)寫串口的函數(shù)有兩個，分別為fwrite和fprintf。fwrite以二進制形式向串口寫入數(shù)據(jù)，實現(xiàn)形式為：

fwrite(obj，A)

obj即為使用創(chuàng)建串口對象函數(shù)的返回值;A為寫入的數(shù)據(jù)，以數(shù)組形式存儲。fwrite以文本形式向串口寫入數(shù)據(jù)，即以ASCII碼的形式向串口寫數(shù)據(jù)，實現(xiàn)形式為：

fprintf(obj，'cmd')

obj即為使用創(chuàng)建串口對象函數(shù)的返回值;cmd為寫入的文本數(shù)據(jù)，以數(shù)組形式存儲。

(5)關(guān)閉串口以及釋放串口對象占用的存儲空間。關(guān)閉串口函數(shù)為：fclose(obj)。釋放串口對象占用的內(nèi)存空間，函數(shù)為：delete(obj)。釋放串口對象在Matlab工作區(qū)中占用的存儲空間，函數(shù)為：clear obj。

以上5步是建立串口通信過程到關(guān)閉串口，釋放串口占用資源的基本步驟?；静襟E可以實現(xiàn)手動收發(fā)數(shù)據(jù)。其例程如下：

運行以上語句后，顯示的結(jié)果如下：

串口數(shù)據(jù)接收完畢后，需要關(guān)閉串口，并釋放串口對象占用的資源，使用的命令如下：

2.2 串口中斷設(shè)置及中斷處理函數(shù)要實現(xiàn)自動收發(fā)數(shù)據(jù)，還需要定義串口中斷處理函數(shù)以及觸發(fā)串口中斷的方式。定義串口中斷處理函數(shù)也就是定義串口數(shù)據(jù)接收或者發(fā)送函數(shù)。定義觸發(fā)串口中斷的方式其目的是為了在串口檢測到接收數(shù)據(jù)的時候，通知并啟動串口數(shù)據(jù)接收函數(shù)進行數(shù)據(jù)接收操作;在串口輸出緩存為空的時候，通知啟動串口數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)。

(1)觸發(fā)串口中斷的方式。在Matlab串口通信編程中，Matlab通過檢測到串口通信事件，從而觸發(fā)串口中斷。涉及到串口讀寫的事件包括：Bytes available，Output empty。其中Bytes available事件有兩種：一種是接收到的字符數(shù)達到人工設(shè)定的數(shù)目時，則系統(tǒng)產(chǎn)生該事件;另一種是當接收到指定字符時，系統(tǒng)產(chǎn)生該事件。Output erupty事件是在系統(tǒng)檢測到輸出緩存區(qū)為空時，產(chǎn)生該事件。

Bytes available事件需要事先設(shè)置?？梢允褂煤瘮?shù)：set(obj，'By tesAvailableFcnMode'，'byte');set(obj，'BytesAvailableFcn-Count'，240);以上兩個函數(shù)設(shè)置當串口檢測到輸入緩存中到達了240個字符的數(shù)據(jù)時，則觸發(fā)串口中斷。另外，也可以設(shè)置為當系統(tǒng)檢測到某個字符達到串口，則觸發(fā)串口中斷。其設(shè)置函數(shù)為：set(obj，'BytesAvailableFcnMode'，'terminator');set(obj，'terminator'， 'H')。以上兩個函數(shù)設(shè)置當串口檢測到字符H時，則觸發(fā)串口中斷。

輸出緩存為空事件的產(chǎn)生。該事件由系統(tǒng)自動檢測產(chǎn)生，不需要用戶特別設(shè)置。該事件一般在輸出緩存中的最后一個字符發(fā)送完畢后產(chǎn)生。用戶可以定義該事件引起的串口中斷處理函數(shù)。

(2)串口中斷處理函數(shù)。串口中斷處理函數(shù)可以根據(jù)用戶需要自行定義。如串口讀中斷處理函數(shù)可以這樣定義：obj.BytesAvailableF-cn=@reeeiveData。receiveData即為串口讀中斷處理函數(shù)。在讀中斷處理函數(shù)中可以進行串口讀操作。即將輸入緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)讀到用戶自定義的存儲變量中，以備后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與分析。類似可以定義輸出緩存為空時觸發(fā)的串口中斷處理函數(shù)：obj.OutputEmptyFcn=@write-Data。

本文開發(fā)的串口通信程序用于接收采集IMU(InerTIal Measurement Unit)輸出的加速度計和陀螺的測量數(shù)據(jù)。通過定義串口讀中斷事件和串口中斷處理函數(shù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動采集，并以Matlab圖形方式實時顯示數(shù)據(jù)。

最近做了一個康復(fù)輔助設(shè)備的小項目，其中一部分設(shè)計串口通信及其對應(yīng)知識，也是整個項目挺重要的一部分，故單獨摘出來寫成筆記以加強記憶。如有錯誤之處望諸君指正。

串口通訊初始化

串口通訊的第一步便是初始化，即配置串口參數(shù)與打開串口。

在matlab中，我們可以通過調(diào)用幾個簡單的指令來實現(xiàn)這一步驟。

首先是配置串口參數(shù)：

一般來講，串口參數(shù)包括：串口名、波特率、奇偶校驗位(起始位)、數(shù)據(jù)位、停止位這幾項。

串口名是指：串口在系統(tǒng)中的名稱，一般以COM加數(shù)字命名。如：COM2、COM11。

波特率是指：上位機與下位機通訊時的傳輸速度。常見的波特率有9600、14400、115200等，其單位為波特/秒，即b/s。

需要注意區(qū)分的一點是波特率不是比特率，比特率的單位是比特/s，即bit per second-bps/s;波特率中的波特與比特存在這樣的關(guān)系，如果發(fā)送的內(nèi)容有1位起始位、1位終止位、8位數(shù)據(jù)位，那么1波特便等于10比特。

如果下位機的采樣頻率過快(數(shù)據(jù)小于等于8位)，比如達到了10kHZ，那么就要求在1秒以內(nèi)上傳10000個數(shù)，需要10000個波特，在這種情況下9600的波特率就不滿足要求了，我們便需要更大的波特率。

另外順便區(qū)分一下比特bit與字節(jié)Byte，在一般情況下1Byte=2^8bit，即一個字節(jié)由256個比特組成。在串口通訊中，如果設(shè)置數(shù)據(jù)位為8，那么我們一個波特所能攜帶的數(shù)最大便為11111111，因此對超過8位的數(shù)據(jù)我們需要將其拆分成高低位發(fā)送。

奇偶校驗位(起始位)、數(shù)據(jù)位、停止位是指：每一個波特中所含的這些有不同含義的數(shù)的位數(shù)。一般奇偶校驗位為0，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1。

以上配置串口參數(shù)的過程可以用簡單的matlab語句實現(xiàn)：

s=serial("COM8");%設(shè)置串口的句柄

set(s,'BaudRate',14400,'DataBits',8,'StopBits',1,'Parity','none');

%配置串口參數(shù) 波特率14400 無起始位 1終止位 8數(shù)據(jù)位

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其次是打開串口：

在matlab中可用簡單語句實現(xiàn)：

fopen(s);%配置并打開串口

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這樣，便完成了串口通訊的初始化，接下來便是發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)了。

串口發(fā)送數(shù)據(jù)

在matlab中，發(fā)送數(shù)據(jù)的函數(shù)有fprintf、fwrite、fscanf等，由于這次我使用的是fwrite，故下文只介紹fwrite。

先上代碼：

fwrite(s, D, 'uint8'); %對定義的串口s發(fā)送該數(shù)據(jù)

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fwrite一般以上述形式使用，第一位是串口名的句柄，第二位是所要發(fā)送的數(shù)據(jù)，第三位位發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型。

因為做的是上下位機之間的指令型通訊，所以一般采用的數(shù)據(jù)類型是uint8。而設(shè)置指令D的方法如下：

Str ='20';%字符串定義需要發(fā)送的十六進制內(nèi)容

D = sscanf(Str,'%2x'); %將字符串轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)據(jù) 其中x是16進制的意思

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可將字符串中的數(shù)字轉(zhuǎn)化為16進制數(shù)字(數(shù)字本身不改變)并由fwrite發(fā)送。

串口讀取數(shù)據(jù)

串口讀取數(shù)據(jù)的方式有很多種，本質(zhì)上都是通過fread函數(shù)接受數(shù)據(jù)并進一步處理。但由于下位機發(fā)送的方式不同，接收的方式也有所不同。

有些下位機是以一個數(shù)據(jù)一個數(shù)據(jù)的形式發(fā)送的，這種發(fā)送方法在低速通信的時候沒有什么問題;但如果發(fā)送的速度較快，上位機的代碼運行時間較長，很容易發(fā)生丟失數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，這對于需要將第八位與高八位拼接的讀取方式來說是致命的。

因此，我推薦下位機將一次需要發(fā)送的數(shù)據(jù)以一個數(shù)組一個數(shù)組的方式發(fā)送。這樣，上位機可一個一個數(shù)組的讀取，在一定程度上可以有效避免上述問題。

這里略加一句，在Labview中，由于串口讀取是以字符串的形式進行的，那么就會存在一個問題。平常情況下讀取的字符串是一個字母一個字節(jié)，但是由于Labview直接將下位機發(fā)送的8位16進制數(shù)識別成了字符串，那么對于這個字符串來說，就變成了2個字母占1個字節(jié);這就造成了普通的字符串轉(zhuǎn)數(shù)字控件無法工作，需要將其轉(zhuǎn)換為1個字母占1個字節(jié)的形式才可以工作。不過，好在matlab并不存在這個問題。

對于我這次的項目，由于下位機發(fā)送數(shù)據(jù)的方式是這樣的：

所以根據(jù)下位機發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，我使用了一種兼顧顯示和采集的讀取方式。下面給出我這次項目串口讀取部分使用的代碼：

%-------讀取串口數(shù)據(jù)

for i=1:20

data=fread(s,4,'uint8');

data2=fread(s2,4,'uint8');%提取串口數(shù)據(jù)

if(data(1)==32&&data2(1)==32)

wave(1,:)=data(2)+data(3)*256;

wave(2,:)=data2(2)+data2(3)*256;

waveform=[waveform,wave];

end

end

%------------------

1234567891011

這個for循環(huán)是在一個大的for循環(huán)或者while循環(huán)下的。首先，使用fread語句讀取串口數(shù)據(jù)(注意的是每次讀取了4個字節(jié)，與下位機發(fā)送的數(shù)組字節(jié)數(shù)相符);之后用if循環(huán)尋找起始標志，再根據(jù)順序判斷出高低位并將其合成一個數(shù);最后將每次讀取到的數(shù)動態(tài)依次合成到同一個數(shù)組中。

另外，由于考慮到波形顯示問題，我并沒有每次都把波形數(shù)組輸出。這是因為雖然這么做能讓圖像顯示看起來更流暢，但是由于plot函數(shù)耗時較長，會造成上位機運行跟不上下位機發(fā)送，造成圖像顯示遲滯現(xiàn)象。因此，我選擇了讓它循環(huán)20次即獲取20個點后再刷新圖像。

串口波形的圖像顯示

本質(zhì)上是使用plot函數(shù)將同一數(shù)組中的數(shù)據(jù)以兩通道的形式顯示出來。

不過需要注意的一點是，plot函數(shù)只會機械的將你需要顯示的數(shù)組顯示出來，并不具有類似Labview波形圖標控件那樣自動調(diào)整橫坐標，使波形只有最近的一段顯示，給人波形在滾動的感覺，也就是我們在示波器中看到的那樣(如果不加干涉，波形只會越來越長，越來越小)。