PC與單片機(jī)的串行通信及數(shù)據(jù)處理
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引言
Matlab是由美國(guó)Mathworks公司開發(fā)的面向理論分析研究、工程計(jì)算數(shù)據(jù)處理和緩圖的一套具有強(qiáng)大功能的軟件系統(tǒng)。其中Matlab語言是一種以矩陣為基本運(yùn)算單元的解釋執(zhí)行的高級(jí)語言，編程簡(jiǎn)例，只要幾條語句就能實(shí)現(xiàn)諸如FFT變換、FIR/IIR濾波等數(shù)據(jù)分析處理，易于掌握。從Matlab6.0版本開始，Mathworks公司在軟件中增加了設(shè)備控制箱（instrument control toolbox），提供了對(duì)RS-232/RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)的串口通信的正式支持。利用該工具箱的serial類及instrcallback()回調(diào)函數(shù)，能可靠地進(jìn)行實(shí)時(shí)串地通信。為此，筆者充分結(jié)合單片機(jī)和Matlab的優(yōu)點(diǎn)，基于事件驅(qū)動(dòng)的中斷通信機(jī)制，提出了一種Matlab環(huán)境下PC機(jī)與單片機(jī)實(shí)時(shí)串行通信的數(shù)據(jù)處理方法，極大地簡(jiǎn)化開發(fā)流程，提高了系統(tǒng)開發(fā)效率。另外，與目前普遍采用的基于Matlab查詢方式下的非實(shí)時(shí)串行通信技術(shù)相比，這種方法的實(shí)用性也大大增強(qiáng)了。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介
下面以Mircochip公司的PIC16F876單片機(jī)為下位機(jī)，PC機(jī)為上位機(jī)組成的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)為例，介紹基于Matlab環(huán)境下PC機(jī)與單片機(jī)串行通信的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理方法的實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。PC機(jī)串口與單片機(jī)USART口通過MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片相連，系統(tǒng)工作時(shí)，Matlab通過調(diào)用設(shè)備控制工具箱中的serial類及相關(guān)函數(shù)。來創(chuàng)建串口設(shè)備對(duì)象，得到設(shè)備的文件句柄，從而以操作文件的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)PC機(jī)串行口的讀寫操作。因而PC機(jī)可以通過Matlab向串行口發(fā)送特殊指令，PIC單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)此作出相應(yīng)的反應(yīng)，將A/D采樣數(shù)據(jù)通過串行口回送給PC機(jī)。此時(shí)，Matlab通過中斷的方式，實(shí)時(shí)接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理、文件存儲(chǔ)、FIR濾波及圖形顯示。
2 PIC16F876與PC機(jī)串行通信接口的設(shè)計(jì)
2.1 PIC16F876單片機(jī)串行通信接口的硬件設(shè)計(jì)
PIC16F876微處理器芯片內(nèi)部集成了一個(gè)串行通信（SCI）模塊。該模塊是一個(gè)通用的同步/異步收發(fā)（USART）通信接口。
PIC16F876的SCI通信接口有兩個(gè)外部引腳——RC6/TX（SCI發(fā)送輸出引腳）和RC7/RX（SCI接收輸入引腳），引腳的信號(hào)電平為TTL類型；而PC機(jī)串口的異步串行通信基于RS232標(biāo)準(zhǔn)。兩者通信信號(hào)的邏輯電平不一致，必須進(jìn)行信號(hào)電平轉(zhuǎn)換。為此，在電路中選用Maxim公司的MAX232芯片，以實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232電平的雙向轉(zhuǎn)換。RS-232通信距離一般以不超過12m為宜，在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)很受限制。為保證硬件設(shè)計(jì)的兼容性和易擴(kuò)展性，能夠應(yīng)用于不同場(chǎng)合，考慮到實(shí)際應(yīng)用的需要，在硬件電路中還可選用一個(gè)MAX491芯片，添加了一個(gè)RS-485通信接口。
如圖2所示，實(shí)際使用過程中，系統(tǒng)可以根據(jù)需要，靈活使用不同的通信標(biāo)準(zhǔn)，十分方便。當(dāng)PIC單片機(jī)SCI通信接口引腳直接通過MAX232芯片與PC機(jī)串口相連時(shí)，系統(tǒng)采用RS-232的通信標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)PIC單片機(jī)SCI通信接口口引腳與MAX489芯片的DI、RO引腳相連時(shí)，系統(tǒng)采用RS-485的通信標(biāo)準(zhǔn)。另外，還可通過PIC單片機(jī)控制MAX489芯片的DE、RE引腳，隨時(shí)使能或屏蔽掉MAX489的數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送功能。
2.2 PIC16F876與PC機(jī)串行通信接口的軟件設(shè)計(jì)
本通信系統(tǒng)中規(guī)定的字符格式為：每一幀的數(shù)據(jù)占10位——1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位。中間的8位數(shù)據(jù)位即為有效的通信傳輸字節(jié)。雙方的波特率設(shè)置為115.2kb/s，以較高速度進(jìn)行通信。同時(shí)，為了增強(qiáng)通信的可靠性、減少通信的誤碼率，在通信過程中約定了雙方的軟件握手方法。為了不致使通信過于復(fù)雜，提高通信速度，可以直接將握手信號(hào)0xFF嵌入到數(shù)據(jù)包中。軟件握手協(xié)議規(guī)定如下：PC機(jī)發(fā)送符合握手信號(hào)0xFF給單片機(jī)，PIC單片機(jī)接收到的上位機(jī)數(shù)據(jù)若為握手信號(hào)0xFF，則回送兩次A/D采樣數(shù)據(jù)包，并將握手信號(hào)0xFF嵌入到數(shù)據(jù)包作為第一個(gè)數(shù)據(jù)，兩次發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為5ms；單片機(jī)接收到的上位機(jī)數(shù)據(jù)若不是握手信號(hào)，則繼續(xù)等待。若PC機(jī)接收到的數(shù)據(jù)包的第1個(gè)字節(jié)不是0xFF，則屏棄該數(shù)據(jù)包；若是，則表示握手成功，經(jīng)校驗(yàn)正確后將該數(shù)據(jù)包直接存儲(chǔ)接收，并從中分解有效的A/D采樣數(shù)據(jù)信息。
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PIC16F876端串行通信的C語言程序流程如圖3所示，相應(yīng)的主要通信源代碼如下：
//串口相關(guān)寄存器的初始化子程序void sci_initial(){SPBRG=0C0A; //設(shè)置通信波特率為115.2kb/sTXSTA=0X04; //選擇異步高速通信模式RCSTA=0x80; //串行口使能，接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位，無奇偶校驗(yàn)TRISC6=0； //RC6引腳設(shè)置為輸出方式TRISC7=1； //PC7引腳設(shè)置為輸入方式}//串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)子程序void sci_com(){while(!RCIF); //查詢接收中斷標(biāo)志位，等待上位機(jī)發(fā)送的串口數(shù)據(jù)rec_data[0]=RCREG;//接收串口數(shù)據(jù)if(rec_data[0]==0xFF){send_data[0]=rec_data[0]; //在第1組數(shù)據(jù)中嵌入回送握手?jǐn)?shù)據(jù)0xFFfor(j=0;j33;j++){TXREG=send_data[j]; //發(fā)送第1組32字節(jié)的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，包含握手信號(hào)0xFF為33個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)while(!TXIF); //查詢發(fā)送標(biāo)志位，等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢再進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)發(fā)送}delay_ms(5); //PIC單片機(jī)定時(shí)5ms發(fā)送第2組A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)send1_data[0]=rec_data[0]; //在第2組數(shù)據(jù)中嵌入回送握手?jǐn)?shù)據(jù)0xFFfor(j=0;j33;j++){TXREG=send1_data[j];//發(fā)送第2組32個(gè)字節(jié)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)及握手信號(hào)數(shù)據(jù)While(!TXIF); //查詢發(fā)送標(biāo)志位，等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢再進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)發(fā)送}}}3 Matlab環(huán)境下PC機(jī)與單片機(jī)的通信
在Matlab6.0中新增的設(shè)備控制工具條（instrument control toolbox）用來負(fù)責(zé)上、下位機(jī)之間的通信。該設(shè)備控制工具箱的特色如下：
?、僦С只诖薪涌冢≧S-232、RS-422、RS-485）、GPIB總線（IEEE2488、HPIB標(biāo)準(zhǔn)）、VISA總線的通信；
?、谕ㄐ艛?shù)據(jù)支持二進(jìn)制和文本（ASCII）兩種方式，文本方式支持SCPI（Standard Commands for Programmable Instruments）語言；
③支持異步通信和同步通信；
④支持基于事件驅(qū)動(dòng)的通信。
從以上的Matlab設(shè)備控制工具箱的特點(diǎn)可以看到，Matlab完全可以滿足我們實(shí)現(xiàn)串行通信的要求。
3.1 Matlab對(duì)串行口控制的基礎(chǔ)知識(shí)
Matlab對(duì)串行口的編程控制主要分為四個(gè)步驟。
①創(chuàng)建串口設(shè)備對(duì)象并設(shè)置其屬性。
scom=serial('com1');%創(chuàng)建串口1的設(shè)備對(duì)象scom
scom.Terminator='CR';%設(shè)置終止符為CR（回車符），缺省為L(zhǎng)F（換行符）
scom.InputBufferSize=1024;%輸入緩沖區(qū)為256B，缺省值為512B
scom.OutputBufferSize=1024;%輸出緩沖區(qū)為256B，缺省值為512B
scom.Timeout=0.5;%Y設(shè)置一次讀或?qū)懖僮鞯淖畲笸瓿蓵r(shí)間為0.5s,缺省值為10s
s.ReadAsyncMode='continuous'(缺省方式);%在異步通信模式方式下,讀取串口數(shù)據(jù)采用連續(xù)接收數(shù)據(jù)(continuous)的缺省方式,那么下位機(jī)返回的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)地存入輸入緩沖區(qū)中.
注意:在些屬性只有在對(duì)象沒有被打開時(shí)才能改變其值,如InputBufferSize、OutputBufferSize屬性等。對(duì)于一個(gè)RS-232/RS-422/RS-485串口設(shè)備對(duì)象，其屬性的缺省值為波特率9 600b/s，異步方式，通信數(shù)據(jù)格式為8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)位，1位停止位。如果要設(shè)置的串口設(shè)置對(duì)象的屬性值與缺省值的屬性值相同，用戶可以不用另行設(shè)置。
另外，設(shè)置串口設(shè)置對(duì)象的屬性也可以用一條指令完成，如：scom=serial('COM1','BaudRate',38400,'Parity','none','DataBits',8,'StopBits',1)。也可以用set命令，如set(scom,'BaudRate',19200,'Parity','even')。創(chuàng)建了對(duì)象后可以在Matlab命令窗口直接敲對(duì)象名并回車，看到其基本屬性和當(dāng)前狀態(tài)。若需要知道其全部的屬性，可以用get(scom)命令。
②打開串口設(shè)備對(duì)象。
fopen(scom);
③讀寫串口操作。初始化并打開串口調(diào)協(xié)對(duì)象之后，現(xiàn)在可以對(duì)串口設(shè)備對(duì)象進(jìn)行讀寫操作，串口的讀寫操作支持二進(jìn)制和文本（ASCII）兩種方式。當(dāng)Matlab通信數(shù)據(jù)采用西方（ASCII）方式時(shí)，讀寫串口設(shè)備的命令分別是fscanf、fpritf；當(dāng)Matlab通信數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制方式時(shí)，讀寫串口設(shè)備的命令分別是fread、fwrite。下面以文本方式讀寫串口為例：
a.讀串口。A=fscanf(scom,'%d',[10,100];%從串口設(shè)備對(duì)象scom中讀入10*100個(gè)數(shù)據(jù)填充到數(shù)組A[10,100]中，并以整型的數(shù)據(jù)格式存放。
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