基于Matlab GUI的串口通信編程實(shí)現(xiàn)
Matlab是MathWorks公司開發(fā)的一種科學(xué)計(jì)算軟件。Matlab運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、使用方便，是廣大科研人員進(jìn)行科學(xué)研究的得力助手。Matlab不僅具有強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能，還具有滿足一般要求的數(shù)據(jù)采集以及界面設(shè)計(jì)開發(fā)功能。Matlab GUI(Graphic User Interface)就是內(nèi)置于Matlab的進(jìn)行圖形界面開發(fā)的模塊。
本文利用Matlab GUI設(shè)計(jì)通過(guò)串口進(jìn)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(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)發(fā)送與接收功能。
1 Matlab GUl介紹
啟動(dòng)Matlab后，運(yùn)行g(shù)uide命令即可以啟動(dòng)Matlab GUI開發(fā)工具。如圖1所示。
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(biāo)軸、控件等。添加必要的串口通信參數(shù)設(shè)置按鈕。
運(yùn)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(shí)現(xiàn)
2．1 建立串口通信流程的基本步驟
Matlab提供了對(duì)串口進(jìn)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(hào)、設(shè)置串口通信參數(shù)(波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位等)、進(jìn)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(gè)步驟：
(1)為應(yīng)用程序創(chuàng)建串口對(duì)象。實(shí)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(duì)象的過(guò)程中，也可以忽略PropertyName。其函數(shù)為：
(2)連接打開串口。實(shí)現(xiàn)該功能的函數(shù)為：
obj即為使用創(chuàng)建串口對(duì)象函數(shù)的返回值。在連接打開串口后，可以對(duì)串口通信參數(shù)進(jìn)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(jìn)行串口通信前，必須設(shè)置正確的串口通信參數(shù)。實(shí)現(xiàn)該功能的函數(shù)為：
obj即為使用創(chuàng)建串口對(duì)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(gè)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(shí)現(xiàn)讀串口功能的函數(shù)有多個(gè)。其區(qū)別在于根據(jù)到達(dá)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(shí)現(xiàn)從串口讀入二進(jìn)制數(shù)據(jù)。fread的實(shí)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(chǔ)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)形式為字節(jié)；obj即為使用創(chuàng)建串口對(duì)象函數(shù)的返回值；size指定一次讀操作讀入字節(jié)的個(gè)數(shù)。實(shí)現(xiàn)寫串口的函數(shù)有兩個(gè)，分別為fwrite和fprintf。fwrite以二進(jìn)制形式向串口寫入數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)形式為：
fwrite(obj，A)
obj即為使用創(chuàng)建串口對(duì)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(chǔ)。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(shí)現(xiàn)形式為：
fprintf(obj，'cmd')
obj即為使用創(chuàng)建串口對(duì)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(chǔ)。
(5)關(guān)閉串口以及釋放串口對(duì)象占用的存儲(chǔ)空間。關(guān)閉串口函數(shù)為：fclose(obj)。釋放串口對(duì)象占用的內(nèi)存空間，函數(shù)為：delete(obj)。釋放串口對(duì)象在Matlab工作區(qū)中占用的存儲(chǔ)空間，函數(shù)為：clear obj。
以上5步是建立串口通信過(guò)程到關(guān)閉串口，釋放串口占用資源的基本步驟。基本步驟可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)收發(fā)數(shù)據(jù)。其例程如下：
運(yùn)行以上語(yǔ)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(duì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(cè)到接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，通知并啟動(dòng)串口數(shù)據(jù)接收函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收操作；在串口輸出緩存為空的時(shí)候，通知啟動(dòng)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(guò)檢測(cè)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(dá)到人工設(shè)定的數(shù)目時(shí)，則系統(tǒng)產(chǎn)生該事件；另一種是當(dāng)接收到指定字符時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生該事件。Output erupty事件是在系統(tǒng)檢測(cè)到輸出緩存區(qū)為空時(shí)，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(gè)函數(shù)設(shè)置當(dāng)串口檢測(cè)到輸入緩存中到達(dá)了240個(gè)字符的數(shù)據(jù)時(shí)，則觸發(fā)串口中斷。另外，也可以設(shè)置為當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到某個(gè)字符達(dá)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(gè)函數(shù)設(shè)置當(dāng)串口檢測(cè)到字符H時(shí)，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(dòng)檢測(cè)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(gè)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(jìn)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(chǔ)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(shí)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(jì)和陀螺的測(cè)量數(shù)據(jù)。通過(guò)定義串口讀中斷事件和串口中斷處理函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，并以Matlab圖形方式實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。
3 串口通信程序的編譯發(fā)布
3．1 編譯程序
為了對(duì)代碼進(jìn)行保密，以及方便用戶發(fā)布可以在不同平臺(tái)運(yùn)行的可執(zhí)行程序，Matlab提供了Matlab程序編譯與發(fā)布功能。在進(jìn)行Matlab程序編譯之前，需要設(shè)置編譯工具。在Matlab命令窗口中，輸入運(yùn)行mbuild-setup，進(jìn)行編譯工具設(shè)置。如圖4所示。
mbuild-setup命令運(yùn)行后，Matlab會(huì)檢測(cè)已經(jīng)安裝在本機(jī)上的編譯器，用戶可以自行選擇任意一個(gè)編譯器，選擇完畢后，運(yùn)行編譯命令，Matlab將使用用戶選定的編譯器對(duì)程序進(jìn)行編譯。
設(shè)置完畢編譯工具后，即可以在命令窗口中運(yùn)行編譯命令，將Matlab程序編譯成可執(zhí)行程序。命令格式為：
mcc[-options]mifilel[mfile2…mfileN]；
options為編譯參數(shù)；mfilel為待編譯的Matlab文件，如果包含多個(gè)Matlab文件，可以直接列在mfilel后面。
如將一個(gè)文件名為myfun．m的Matlab文件編譯成一個(gè)獨(dú)立可執(zhí)行程序，可以使用mcc命令：
mcc-m myfun：
mcc命令可以用使用多個(gè)編譯參數(shù)，相應(yīng)參數(shù)的含義可以參見(jiàn)Matlab幫助文檔。
3．2 發(fā)布程序
Matlab文件編譯完畢后，生成的可執(zhí)行程序還需要．Matlab環(huán)境的支持，要發(fā)布到?jīng)]有安裝Matlab的機(jī)器上運(yùn)行，還需要進(jìn)行最后一項(xiàng)工作，即打包Matlab組件運(yùn)行環(huán)境(Matlab Component Runtime，MCR)。將MCR與可執(zhí)行程序一起打包，拷貝到其他沒(méi)有安裝Matlab的機(jī)器上，在該機(jī)器上安裝MCR，安裝完畢即可以直接在該機(jī)器上運(yùn)行編譯的Matlab可執(zhí)行程序。MCR安裝文件位于：
Matlab Root＼toolbox＼compiler＼deploy＼win32
在2008版Matlab中，已經(jīng)內(nèi)置了Matlab編譯發(fā)布工具箱，在Matlab命令窗口中運(yùn)行deploytool命令，即可以調(diào)出該工具窗口，通過(guò)該工具可以方便、快捷地編譯發(fā)布Matlab程序。
4 結(jié)語(yǔ)
Matlab具有強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能和圖形顯示功能，選用Matlab作為數(shù)據(jù)處理與分析工具是合適的，但其界面開發(fā)和數(shù)據(jù)采集功能相對(duì)較弱，不如VisualC++或者LabView強(qiáng)大。不過(guò)，對(duì)于一般的界面開發(fā)，和普通功能的串口通信開發(fā)，Matlab是足以勝任的，同時(shí)也可以直接利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析與處理功能。本文基于Matlab GUI的串口通信功能的編程實(shí)現(xiàn)表明利用Matlab GUI可以進(jìn)行包含一般界面元素的界面開發(fā)，在此基礎(chǔ)上，加入串口通信功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與分析處理，并進(jìn)行圖形化顯示。
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