MATLAB在PC机与单片机串行通信的应用.pdf

一、引言 串 T e c h n o l o g y & A p p l i c a t i o n - 技术与应用 摘要：结合单片机与M A T L A B 两者的优点，提出了一种M A T L A B 环境下P C 机与单片机实时串 行通信及数据处理的方法。串行系统主要由P C 机、R S - 2 3 2 C 电平转换器M A X 2 3 2 A C P E 、单片 机以及通信程序构成，单片机程序用其C 语言设计，P C 机通信程序用M A T L A B 中的专门函数和 n s t r u m e n tC o n t r o lT o o l b o x ( 仪器控制工具箱) 实现。 关键词：串行通信；P C 机；单片机；M A T L A B ；仪器控制工具箱 中图分类号：T P 2 7 7文献标识码：A 文章编号：1 0 0 6 8 & 3 X ( 2 0 1 3 X ) 3 - 0 0 1 7 - 0 4 收稿日期：2 0 13 - 0 3 一0 7 M A T L A B 在P C 相与单片栅 串行通信响应用 徐丽丽杨风杨杨 中北大学信息与通信工程学院山西太原0 3 0 0 5 1 行通信是P C 机与单片机之间进行通信的重要手 段，其优点是效率高、可靠性强、价格便宜、 有现成的接口和统一的标准，因而得到了广泛的应用。 在控制工程中，通常使用单片机来采集大量的数据， 通过串口将数据传给处理性能更高的P C ，经过P C 处 理分析后打印输出或传给单片机。M A T L - L B 拥有强大 的数据分析处理能力和绘图功能，含有丰富的工具箱 函数，能够对不同领域的工程应用 提供支持，成为计算机辅助设计和 分析、算法研究和应用开发的基本 工具和首选平台【l 】。本文主要介绍 应用M A T L A B 中的仪器控制工具箱 实现P C 机和单片机的串行通信。 二、系统总体设计简介 下面以A V R 系列的a t e m l l 6 2 单 片机为下位机，P C 机为上位机组 成的实时数据采集处理系统为例， 介绍基于M A T L A B 环境下P C 机与单片机串行通信 的实时数据处理方法的实现。数据采集系统的结构 框图如图l 所示。P C 机串口与单片机U A R T 口通过 M A X 2 3 2 电平转换芯片相连，系统工作时，M A T L A B 通过调用设备控制工具箱中的s e r i a l 类及相关函数来创 建串口设备对象，得到设备的文件句柄，从而以操作 文件的方式实现对P C 机串行口的读写操作。P C 机通 过M A T L A B 向串行口发送特殊指令，同时A V R 单片 万方数据 技术与应用_ T e c h n o l o g y & A p p l i c a t i o n I 设置串1 3 参数 I 打开串1 3 I 向串1 3 发送发射数据信号 I 向单片机串口发送数据 I 等待输入接收数据指令( 若指令输入后 开始接收数据，否则等待) I 向串口发送接收数据信号 I 接收单片机发送的数据 l 对接收的数据进行分析 I 结束 图3 串行通信程序流程图 机应用系统对此做出相应的反应，将A D 采样数据通 过串行1 ：3 回送给P C 机。此时，M _ A T L A B 通过中断的 方式，实时接收单片机发送的数据。 三、A V R 系列a t e m l l 6 2 与P C 机串行接口的设计 1 、A V R 系列a t e m l l 6 2 单片机串行通信接口的硬 件原理 1 6 位单片机a t e m l l 6 2 采用异步串行口模块提供了 一个全双工标准通信口，用于完成单片机与外围设备 之间的串行通信。由于单片机的串口采用的是T T L 电 平，与P C 机串行接口的电气规范不一致，因此通信 中采用R S 2 3 2 标准接口。R S 2 3 2 电平采用负逻辑，即 逻辑1 ：3 1 5 V ，逻辑0 ：+ 3 + 1 5 V 。而单片机使用 的T T L 电平中，高电平( 3 5 5 v ) 为逻辑l ，低电平 ( 0 - 4 ) 8 V ) 为逻辑0 。为实现数据通读，接口之间通 过M A X 2 3 2 电平转换芯片把T T L 高电平表示的1 转 换成R S 2 3 2 的负电压信号，把低电平表示的0 转换成 R S 2 3 2 的正电压信号。M A X 2 3 2 的1 1 引脚接单片机7 引脚的T X D 端，T T L 电平从单片机的T X D 端发出， 经过M A X 2 3 2 转换成R S 2 3 2 电平后从M A X 2 3 2 的1 4 引脚发出，连接到P C 机的串口座的R X D 端，至此计 算机接收到数据。P C 机发送数据时从P C 机串口座的 T X D 端发出数据，再逆向流向单片机5 引脚的R X D 端【2 】。P c 机与a t e m l l 6 2 单片机串行通信原理图如图2 所示。 2 、A V R 系列a t e m l l 6 2 单片机串行通信接口的软 件设计 在M A T L A B 环境下，读取串口数据的方法可以分 为两种查询和中断。当以查询的方式进行串行通信时， 虽然编程容易，但不能对数据进行实时处理，系统实 时性不高，而且会极大地占用系统的资源。当以中断 的方式对串口进行控制实现串行通信时，可以实时处 理下位机传送的数据，但编程相对复杂一些，需要采 用M A T L A B 的事件和回调函数机制口】。由于采用了握 手信号，使得串行通信中，P C 机为主动，单片机为被 动的一种主从方式。串行通信程序流程图如图3 所示。 因此，完整的程序如下： # i n e l u d e i o m 】6 2 v 万方数据 # i n c l u d e v o i dp o r t _ i n i t ( v o i d ) 初始化端1 3 D D R D I = B I T ( I ) ； D D R D & = B I T ( 0 ) ； P O R T D I = B I T ( 1 ) ； P O R T D 0 & 一B I T ( 0 ) ； v o i du a r t O _ i n i t ( v o i d ) U A R T O 初始化 U C S R O B = 0 X 0 0 ； U C S R O A = 0 X 0 0 ； U B R R O L = 0 X 6 7 ； U B R R O H = O X 0 0 ； U C S R O B = 0 X 9 8 ；接收完成中断使能，传送完成中断 使能 U C S R O A & = 0 X E 0 ； v o i di n i t _ d e v i c c s ( v o i d ) C L I ( ) ； p o r t _ i n i t ( ) ； u a r t O _ m i t ( ) ； M C U C R = 0 X 0 0 ； E M C U C R = 0 X 0 0 ； E T I M S K = 0 X 0 0 ； E T I F R = 0 X F F ； G I C R = O X 0 0 ； S F l 0 R = 电X o o ： P C M S K 0 = 0 X 0 0 ； P C M S K I = 0 X 0 0 ； v o i ds e n d d a t a ( u n s i g n e dc h a rd a t a ) u a r t 发送数据 w h i l e ( ! ( U C S R O A & ( 1 U D R E 0 ) ) ) ； U D R 0 = d a t a ； ) # p r a g m ai n t e r r u p t _ h a n d l e ru a r t O _ r e c v ：2 0 v o i du a r t 0 _ r e c v ( v o i d ) 接收完成中断，接收的数据存于 d a t ab u f f e r 数组中 u n s i g n e dc h a rt e m p d a t a = O ； t e m p d a t a = U D R 0 ； s e n d d a t a ( m m p d a t a ) ； v o i dm a i n ( v o i d ) T e c h n o l o g y & A p p l i c a t i o nl 技术与应用 i n i t _ d e v i c e s ( ) ； w h i l e ( 1 ) ； 四、基于g A T L A B 的通信程序设计 1 、主要的串口操作函数 M A T L A B 的仪器控制工具箱提供了M A T L A B 与 仪器仪表通信的功能。它支持G P I B 、V I S A 、T C P I P 、U D P 、R S 2 3 2 等多个协议，具有同步和异步读写 功能以及事件处理和回调操作功能，可读写和记录二 进制和A S C I I 文本数据。工具箱中有多个函数，以下 仅介绍与串口有关的主要函数。 ( 1 ) 建立串口对象函数嗍 格式o b j = s e r i a l ( p o r t ) 和o b j = s e r i a l ( p o r t ，P r o p e r t y N a r n c ，P r o p e r t yV a l u e ，) 参数：p o r t 为端口的名字，该参数是必须的， 一般为c o m l 和c o r n 2 ；P r o p e r t yN a m e 为属性名， P r o p e r t yV a l u e 为属性值。与串口有关的属性大约有3 8 个，最常用的属性波特率、数据位、校验方式、停止位、 终止符。 属性复制的方法有以下三种： 用s e r i a l 函数； 用s e t 函数，例如：s e t ( o b j ，B a u dR a t e ，9 6 0 0 ) ； 直接赋值方式，例如：o b j B a u dR a t e = 9 6 0 0 。 ( 2 ) 串口读写函数 该类函数有8 个，本文使用到的函数：f w r t i e ( o b j ， A ，p r e c i s i o n ，m o d e ) 或f w r i t e ( o b j ，A ) ，以二进制方式 向串口发送数据；A = f f e a d ( o b j ，s i z e ，p r e c i s i o n ) 或 A ，c o u n t ，m s g = f r e a d ( ) ，以二进制方式读串1 ：3 ； A - - f s c a n f ( o b j ，f o r m a t ，s i z e ) 或【A ，c o u n t ，m s g = f s c a n f ( ) ，以指令数据格式读串E l ；r e a d a s y n c ( o b j ) 或 r e a d a s y n c ( o b j ，s i z e ) ，以异步方式读串口；s t o p a s y n c ( o b j ) ，停止异步方式读写操作嘲。以上函数中， 0 b j 为串口对象，m o d e 定义为同步或异步读写方式， p r e c i s i o n 定义数据精度，s i z e 为字符或数据数。 ( 3 ) 打开、关闭和清除串口对象函数 主要包括：f o p e n o b j ) ，打开串口对象，即连接 万方数据 技术与应用T e c h n o l o g y A p p l i c a t i o n 两个通讯设备f c l o s e ( o b j ) ，关闭串1 ：3 对象d e l e t e ( o b j ) ， 清除串口对象：c l e a r ( o b j ) ，从M A T L A B 中清除对象。