PC與單片機的串行通信及數據處理

　　引言

　　Matlab是由美國Mathworks公司開(kāi)發(fā)的面向理論分析研究、工程計算數據處理和緩圖的一套具有強大功能的軟件系統。其中Matlab語(yǔ)言是一種以矩陣為基本運算單元的解釋執行的高級語(yǔ)言，編程簡(jiǎn)例，只要幾條語(yǔ)句就能實(shí)現諸如FFT變換、FIR/IIR濾波等數據分析處理，易于掌握。從Matlab6.0版本開(kāi)始，Mathworks公司在軟件中增加了設備控制箱（instrument control toolbox），提供了對RS-232/RS-485通信標準的串口通信的正式支持。利用該工具箱的serial類(lèi)及instrcallback()回調函數，能可靠地進(jìn)行實(shí)時(shí)串地通信。為此，筆者充分結合單片機和Matlab的優(yōu)點(diǎn)，基于事件驅動(dòng)的中斷通信機制，提出了一種Matlab環(huán)境下PC機與單片機實(shí)時(shí)串行通信的數據處理方法，極大地簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)流程，提高了系統開(kāi)發(fā)效率。另外，與目前普遍采用的基于Matlab查詢(xún)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)用性也大大增強了。

　　1 系統總體設計簡(jiǎn)介

　　下面以Mircochip公司的PIC16F876單片機為下位機，PC機為上位機組成的實(shí)時(shí)數據采集處理系統為例，介紹基于Matlab環(huán)境下PC機與單片機串行通信的實(shí)時(shí)數據處理方法的實(shí)現。數據采集系統的結構框圖如圖1所示。PC機串口與單片機USART口通過(guò)MAX232電平轉換芯片相連，系統工作時(shí)，Matlab通過(guò)調用設備控制工具箱中的serial類(lèi)及相關(guān)函數。來(lái)創(chuàng )建串口設備對象，得到設備的文件句柄，從而以操作文件的方式實(shí)現對PC機串行口的讀寫(xiě)操作。因而PC機可以通過(guò)Matlab向串行口發(fā)送特殊指令，PIC單片機應用系統對此作出相應的反應，將A/D采樣數據通過(guò)串行口回送給PC機。此時(shí)，Matlab通過(guò)中斷的方式，實(shí)時(shí)接收單片機發(fā)送的數據，并完成對數據的分析處理、文件存儲、FIR濾波及圖形顯示。

　　2 PIC16F876與PC機串行通信接口的設計

　　2.1 PIC16F876單片機串行通信接口的硬件設計

　　PIC16F876微處理器芯片內部集成了一個(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），引腳的信號電平為T(mén)TL類(lèi)型；而PC機串口的異步串行通信基于RS232標準。兩者通信信號的邏輯電平不一致，必須進(jìn)行信號電平轉換。為此，在電路中選用Maxim公司的MAX232芯片，以實(shí)現TTL電平與RS-232電平的雙向轉換。RS-232通信距離一般以不超過(guò)12m為宜，在工業(yè)控制現場(chǎng)很受限制。為保證硬件設計的兼容性和易擴展性，能夠應用于不同場(chǎng)合，考慮到實(shí)際應用的需要，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(guò)程中，系統可以根據需要，靈活使用不同的通信標準，十分方便。當PIC單片機SCI通信接口引腳直接通過(guò)MAX232芯片與PC機串口相連時(shí)，系統采用RS-232的通信標準；當PIC單片機SCI通信接口口引腳與MAX489芯片的DI、RO引腳相連時(shí)，系統采用RS-485的通信標準。另外，還可通過(guò)PIC單片機控制MAX489芯片的DE、RE引腳，隨時(shí)使能或屏蔽掉MAX489的數據接收和數據發(fā)送功能。

　　2.2 PIC16F876與PC機串行通信接口的軟件設計

　　本通信系統中規定的字符格式為：每一幀的數據占10位——1位起始位，8位數據位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗位。中間的8位數據位即為有效的通信傳輸字節。雙方的波特率設置為115.2kb/s，以較高速度進(jìn)行通信。同時(shí)，為了增強通信的可靠性、減少通信的誤碼率，在通信過(guò)程中約定了雙方的軟件握手方法。為了不致使通信過(guò)于復雜，提高通信速度，可以直接將握手信號0xFF嵌入到數據包中。軟件握手協(xié)議規定如下：PC機發(fā)送符合握手信號0xFF給單片機，PIC單片機接收到的上位機數據若為握手信號0xFF，則回送兩次A/D采樣數據包，并將握手信號0xFF嵌入到數據包作為第一個(gè)數據，兩次發(fā)送數據的時(shí)間間隔為5ms；單片機接收到的上位機數據若不是握手信號，則繼續等待。若PC機接收到的數據包的第1個(gè)字節不是0xFF，則屏棄該數據包；若是，則表示握手成功，經(jīng)校驗正確后將該數據包直接存儲接收，并從中分解有效的A/D采樣數據信息。

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　　PIC16F876端串行通信的C語(yǔ)言程序流程如圖3所示，相應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，接收數據長(cháng)度為8位，無(wú)奇偶校驗TRISC6=0； //RC6引腳設置為輸出方式TRISC7=1； //PC7引腳設置為輸入方式}//串口接收和發(fā)送數據子程序void sci_com(){while(!RCIF); //查詢(xún)接收中斷標志位，等待上位機發(fā)送的串口數據rec_data[0]=RCREG;//接收串口數據if(rec_data[0]==0xFF){send_data[0]=rec_data[0]; //在第1組數據中嵌入回送握手數據0xFFfor(j=0;j33;j++){TXREG=send_data[j]; //發(fā)送第1組32字節的A/D轉換數據，包含握手信號0xFF為33個(gè)字節數據while(!TXIF); //查詢(xún)發(fā)送標志位，等待數據發(fā)送完畢再進(jìn)行下一次數據發(fā)送}delay_ms(5); //PIC單片機定時(shí)5ms發(fā)送第2組A/D轉換數據send1_data[0]=rec_data[0]; //在第2組數據中嵌入回送握手數據0xFFfor(j=0;j33;j++){TXREG=send1_data[j];//發(fā)送第2組32個(gè)字節A/D轉換數據及握手信號數據While(!TXIF); //查詢(xún)發(fā)送標志位，等待數據發(fā)送完畢再進(jìn)行下一次數據發(fā)送}}}

　　3 Matlab環(huán)境下PC機與單片機的通信

　　在Matlab6.0中新增的設備控制工具條（instrument control toolbox）用來(lái)負責上、下位機之間的通信。該設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(xiàn)（IEEE2488、HPIB標準）、VISA總線(xiàn)的通信；

　?、谕ㄐ艛祿С侄M(jìn)制和文本（ASCII）兩種方式，文本方式支持SCPI（Standard Commands for Programmable Instruments）語(yǔ)言；

　?、壑С之惒酵ㄐ藕屯酵ㄐ?；

　?、苤С只谑录寗?dòng)的通信。

　　從以上的Matlab設備控制工具箱的特點(diǎn)可以看到，Matlab完全可以滿(mǎn)足我們實(shí)現串行通信的要求。

　　3.1 Matlab對串行口控制的基礎知識

　　Matlab對串行口的編程控制主要分為四個(gè)步驟。

　?、賱?chuàng )建串口設備對象并設置其屬性。

　　scom=serial('com1');%創(chuàng )建串口1的設備對象scom

　　scom.Terminator='CR';%設置終止符為CR（回車(chē)符），缺省為L(cháng)F（換行符）

　　scom.InputBufferSize=1024;%輸入緩沖區為256B，缺省值為512B

　　scom.OutputBufferSize=1024;%輸出緩沖區為256B，缺省值為512B

　　scom.Timeout=0.5;%Y設置一次讀或寫(xiě)操作的最大完成時(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,讀取串口數據采用連續接收數據(continuous)的缺省方式,那么下位機返回的數據會(huì )自動(dòng)地存入輸入緩沖區中.

　　注意:在些屬性只有在對象沒(méi)有被打開(kāi)時(shí)才能改變其值,如InputBufferSize、OutputBufferSize屬性等。對于一個(gè)RS-232/RS-422/RS-485串口設備對象，其屬性的缺省值為波特率9 600b/s，異步方式，通信數據格式為8位數據位，無(wú)奇偶校驗位，1位停止位。如果要設置的串口設置對象的屬性值與缺省值的屬性值相同，用戶(hù)可以不用另行設置。

　　另外，設置串口設置對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 )建了對象后可以在Matlab命令窗口直接敲對象名并回車(chē)，看到其基本屬性和當前狀態(tài)。若需要知道其全部的屬性，可以用get(scom)命令。

　?、诖蜷_(kāi)串口設備對象。

　　fopen(scom);

　?、圩x寫(xiě)串口操作。初始化并打開(kāi)串口調協(xié)對象之后，現在可以對串口設備對象進(jìn)行讀寫(xiě)操作，串口的讀寫(xiě)操作支持二進(jìn)制和文本（ASCII）兩種方式。當Matlab通信數據采用西方（ASCII）方式時(shí)，讀寫(xiě)串口設備的命令分別是fscanf、fpritf；當Matlab通信數據采用二進(jìn)制方式時(shí)，讀寫(xiě)串口設備的命令分別是fread、fwrite。下面以文本方式讀寫(xiě)串口為例：

　　a.讀串口。A=fscanf(scom,'%d',[10,100];%從串口設備對象scom中讀入10*100個(gè)數據填充到數組A[10,100]中，并以整型的數據格式存放。

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