Matlab环境下PC机与单片机的串行通信及数据处理

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                    摘要：结合单片机和Matlab两者的优点，基于事件驱动的中断通信机制，提出一种Matlab环境下PC机与单片机实时串行通信及数据处理的方法；完成单片机数据采集系统与PC机的RS-232/RS-485串行通信及其通信数据的分析处理、文件存储、FIR滤波及图形显示；简化系统开发流程，提高开发效率。该方法已成功应用于一个PIC16F876单片机应用系统实例之中。
关键词：PIC16F876 Matlab 串口通信 RS-232 事件驱动 回调函数
引言
Matlab是由美国Mathworks公司开发的面向理论分析研究、工程计算数据处理和缓图的一套具有强大功能的软件系统。其中Matlab语言是一种以矩阵为基本运算单元的解释执行的高级语言，编程简例，只要几条语句就能实现诸如FFT变换、FIR/IIR滤波等数据分析处理，易于掌握。从Matlab6.0版本开始，Mathworks公司在软件中增加了设备控制箱（instrument control toolbox），提供了对RS-232/RS-485通信标准的串口通信的正式支持。利用该工具箱的serial类及instrcallback()回调函数，能可靠地进行实时串地通信。为此，笔者充分结合单片机和Matlab的优点，基于事件驱动的中断通信机制，提出了一种Matlab环境下PC机与单片机实时串行通信的数据处理方法，极大地简化开发流程，提高了系统开发效率。另外，与目前普遍采用的基于Matlab查询方式下的非实时串行通信技术相比，这种方法的实用性也大大增强了。
1 系统总体设计简介
下面以Mircochip公司的PIC16F876单片机为下位机，PC机为上位机组成的实时数据采集处理系统为例，介绍基于Matlab环境下PC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1所示。PC机串口与单片机USART口通过MAX232电平转换芯片相连，系统工作时，Matlab通过调用设备控制工具箱中的serial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PC机串行口的读写操作。因而PC机可以通过Matlab向串行口发送特殊指令，PIC单片机应用系统对此作出相应的反应，将A/D采样数据通过串行口回送给PC机。此时，Matlab通过中断的方式，实时接收单片机发送的数据，并完成对数据的分析处理、文件存储、FIR滤波及图形显示。
2 PIC16F876与PC机串行通信接口的设计
2.1 PIC16F876单片机串行通信接口的硬件设计
PIC16F876微处理器芯片内部集成了一个串行通信（SCI）模块。该模块是一个通用的同步/异步收发（USART）通信接口。
PIC16F876的SCI通信接口有两个外部引脚——RC6/TX（SCI发送输出引脚）和RC7/RX（SCI接收输入引脚），引脚的信号电平为TTL类型；而PC机串口的异步串行通信基于RS232标准。两者通信信号的逻辑电平不一致，必须进行信号电平转换。为此，在电路中选用Maxim公司的MAX232芯片，以实现TTL电平与RS-232电平的双向转换。RS-232通信距离一般以不超过12m为宜，在工业控制现场很受限制。为保证硬件设计的兼容性和易扩展性，能够应用于不同场合，考虑到实际应用的需要，在硬件电路中还可选用一个MAX491芯片，添加了一个RS-485通信接口。
如图2所示，实际使用过程中，系统可以根据需要，灵活使用不同的通信标准，十分方便。当PIC单片机SCI通信接口引脚直接通过MAX232芯片与PC机串口相连时，系统采用RS-232的通信标准；当PIC单片机SCI通信接口口引脚与MAX489芯片的DI、RO引脚相连时，系统采用RS-485的通信标准。另外，还可通过PIC单片机控制MAX489芯片的DE、RE引脚，随时使能或屏蔽掉MAX489的数据接收和数据发送功能。
2.2 PIC16F876与PC机串行通信接口的软件设计
本通信系统中规定的字符格式为：每一帧的数据占10位——1位起始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位。中间的8位数据位即为有效的通信传输字节。双方的波特率设置为115.2kb/s，以较高速度进行通信。同时，为了增强通信的可靠性、减少通信的误码率，在通信过程中约定了双方的软件握手方法。为了不致使通信过于复杂，提高通信速度，可以直接将握手信号0xFF嵌入到数据包中。软件握手协议规定如下：PC机发送符合握手信号0xFF给单片机，PIC单片机接收到的上位机数据若为握手信号0xFF，则回送两次A/D采样数据包，并将握手信号0xFF嵌入到数据包作为第一个数据，两次发送数据的时间间隔为5ms；单片机接收到的上位机数据若不是握手信号，则继续等待。若PC机接收到的数据包的第1个字节不是0xFF，则屏弃该数据包；若是，则表示握手成功，经校验正确后将该数据包直接存储接收，并从中分解有效的A/D采样数据信息。
PIC16F876端串行通信的C语言程序流程如图3所示，相应的主要通信源代码如下：
//串口相关寄存器的初始化子程序
void sci_initial(){
SPBRG=0C0A; //设置通信波特率为115.2kb/s   TXSTA=0X04; //选择异步高速通信模式
RCSTA=0x80; //串行口使能，接收数据长度为8位，无奇偶校验
TRISC6=0； //RC6引脚设置为输出方式   TRISC7=1； //PC7引脚设置为输入方式   }
?//串口接收和发送数据子程序   void sci_com(){
while(!RCIF); //查询接收中断标志位，等待上位机发送的串口数据
rec_data[0]=RCREG;//接收串口数据
?if(rec_data[0]==0xFF){
send_data[0]=rec_data[0]; //在第1组数据中嵌入回送握手数据0xFF   for(j=0;j g.BytesAvailableFcn=@instrcallback;%得到回调函数句柄
fopen(g);%连接串口设备对象
?fwrite(g,255);%写串口，发送握手信号0xFF(等价于十进制下的数值255)
②修改instrcallback(obj,event)回调函数，对所发生的串口通信事件进行处理。
?????? Matlab缺省的回调函数instrcallback(obj,event)存在于instrcallback.m文件中。该文件实际上是一个有待于用户修改的程序模块。其中只有一些最基本的程序代码，能够显示导致串口中断发生的是哪一类事件，中断事件所发生的时间以及导致事件发生的对象名等信息（修改回调函数文件时，注意要取消文件中相应信息后的分号，才能够在Matlab的命令窗口（command window）中将这些信息显示出来）。中断发生后的通信事件处理以及通信数据的分析处理任务，需要用户自行添加相应的服务程序代码。
?????? Matlab安装目标下有两个instrcallback.m文件，我们只需要修改@instrument目录下的instrcallback.m文件即可。当然，在修改instrcallback.m文件之前，最好对其做一个备份。另外，需要注意的是：程序调试过程中如果再次修改了该回调函数，要重新启动Matlab配置该文件，才能使得新的回调函数文件生效。
?????? 修改后的instrcallback.m文件见网站www.dpj.com.cn。该修改后的回调函数能够完成如下任务：
?①实时接收单片机实时5ms发送的33个串行通信数据，其中包括1个握手信号和32个A/D转换数据（这些数据是PIC单片机系统采集到的传感器信号，每个数据占1字节），并存储在out数组中；
?②对接收到的数据进行处理，由于PIC单片机的A/D转换值为10位，占2字节，而单片机每次只能传送1个字节的数据，故将收到的每两个通信数据整合成为1个真实的A/D转换数据，共16个A/D转换数据，并存储在Dataout数组中；
③将接收到的串口数据存储到serialdata.txt文件中，将整合后的单片机A/D转换数据存储到一个以中断事件发生的时间为文件名的txt文件中；
④根据A/D转换数据，利用Matlab求其最大值、最小值和平均值，并利用FIR滤波器对传感器信号A/D转换值作FIR滤波处理，得到窗格为5的滑动滤波平均值；
?⑤利用Matlab中的plot()函数实时绘制单片机采集到的传感器信号的原始波形图和FIR滤波后波形图，如图5所示，可以看到经过FIR滤波后的传感器动态信号值较为稳定，精度大幅提高。
?????? 实验证明，基于Matlab中断方式的PC机与单片机的实时串行通信稳定可靠，处理数据方便，编程简单，开发效率大大提高。
4.结论?

???????本文介绍的基于Matlab环境下PC机与PIC单片机串行通信的实现方法，利用Matlab的Instrument Control Tollbox的serial类及instrcallback()回调函数，实现基于事件驱动的实时中断通信。使开发人员可以充分利用Matlab工具箱中的现有函数，方便地实现串行通信、数据分析处理和图形显示，大大简化系统上位机软件的编程工作量。