蔣超，劉新，曾義和

（湘潭大學(xué) 材料與光電物理學(xué)院，湘潭411105）

引 言

在以速度決定優(yōu)劣的飛思卡爾智能車比賽中，任何因素都可能影響小車的運(yùn)行。為了滿足對小車在賽道中各種狀態(tài)精確分析的需求，上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集與處理要求通信波特率高、信號傳輸穩(wěn)定、不丟包、數(shù)據(jù)處理量大、數(shù)據(jù)處理及時等。在基于Matlab環(huán)境下的串口通信中，查詢方式下的非實(shí)時串行通信技術(shù)對實(shí)時性要求很高的智能車通信有很大的局限性。而在目前普遍采用的中斷機(jī)制下的通信雖然可以滿足實(shí)時性的需要，卻需要修改Matlab自帶的instrcallback回調(diào)函數(shù)。程序調(diào)試過程中修改了回調(diào)函數(shù)后，需要重新啟動Matlab才能使得新的回調(diào)函數(shù)文件生效。由此可以看出，其操作復(fù)雜易出錯，且instrcallback函數(shù)接收到保存在工作空間的數(shù)據(jù)不能被GUI組件的函數(shù)實(shí)時調(diào)用。故此方式在需要對多組數(shù)據(jù)進(jìn)行分別作圖分析時，往往生成多個零散圖形窗口。為了滿足智能車的實(shí)時通信需求，同時使基于Matlab GUI的通信界面更加簡潔，本文提出了一種將事件中斷函數(shù)寫入GUI組件函數(shù)中的方式。

Matlab是由美國Mathworks公司開發(fā)的面向理論分析研究及工程設(shè)計(jì)處理和繪圖的一套具有強(qiáng)大功能的軟件系統(tǒng)。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。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RS-232／RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)的串口通信的正式支持。Matlab GUI（Graphic User Interface）是內(nèi)置于Matlab的進(jìn)行圖形界面開發(fā)的模塊。本文主要介紹在Matlab GUI環(huán)境下，上位機(jī)與智能車進(jìn)行實(shí)時通信的辦法。該方法較之使用VC／VB高級語言編程，大大縮減了開發(fā)時間，提高了開發(fā)效率。另外，較之傳統(tǒng)的RS-232接口，使用藍(lán)牙接口能夠更大范圍地全方位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和采集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過兩次握手處理后數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時穩(wěn)定，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用飛思卡爾MC68HCS12G128單片機(jī)作為智能車的控制器，PC機(jī)為上位機(jī)。利用Matlab GUI構(gòu)建起二者的實(shí)時通信、數(shù)據(jù)處理和繪圖等平臺。整個系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，介紹了基于Matlab的GUI和串口通信機(jī)制下建立上位機(jī)與智能車實(shí)時通信和作圖的平臺方法。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

智能車與PC機(jī)通過藍(lán)牙相連，系統(tǒng)工作時，由Matlab調(diào)用設(shè)備控制工具箱中的serial類函數(shù)來設(shè)置串口屬性，創(chuàng)建串口對象，從而實(shí)現(xiàn)Matlab對串口的控制和讀寫操作。在對智能車的調(diào)試過程中，可以通過Matlab向藍(lán)牙發(fā)送特殊指令，啟動智能車。在智能車系統(tǒng)運(yùn)行后便可以將所采集位置和速度等數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙回送給PC 機(jī)。由Matlab通過中斷方式實(shí)時接收數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實(shí)時繪出相應(yīng)的圖形。

2 Matlab GUI設(shè)計(jì)介紹

②點(diǎn)擊Blank GUI（Default）選項(xiàng)并點(diǎn)擊OK 按鈕，完成新建Blank GUI。

③在新建的Blank GUI界面的右方菜單中添加設(shè)計(jì)所需要的元素，完成串口通信及數(shù)據(jù)實(shí)時顯示等功能的GUI界面設(shè)計(jì)。

④編寫GUI組建相應(yīng)的響應(yīng)控制代碼，運(yùn)行后的通信仿真界面如圖2所示。

3 單片機(jī)與PC機(jī)串行通信

3.1 設(shè)計(jì)思想

圖2 響應(yīng)后的Matlab GUI通信仿真界面

MC68HCS12G128單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)對程序的初始化、接收與發(fā)送串口信號、速度和位置數(shù)據(jù)的采集等功能。為了保證上位機(jī)采集數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)丟包事件，在通信過程中約定了雙方的握手方法。在程序初始化以后，等待fwrite命令發(fā)送的握手信號0xFF。當(dāng)單片機(jī)第一次接收到的信號為0xFF時，則握手成功，并開始運(yùn)行電機(jī)和激光頭等子程序。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)存在發(fā)送的第一組數(shù)據(jù)第一個字節(jié)丟失的現(xiàn)象，為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可靠性，首先判斷數(shù)據(jù)包的前兩個字節(jié)是否為0xFF，是則剔除相應(yīng)字節(jié)，分離出有效的數(shù)據(jù)，再在回送的速度、激光傳感器的數(shù)據(jù)中嵌入兩個字節(jié)的握手信號0xFF，Matlab接收到串口的數(shù)據(jù)后進(jìn)行相應(yīng)的處理。智能車控制器通信的總程序流程如圖3所示。

圖3 智能車控制器通信程序總流程圖

3.2 系統(tǒng)藍(lán)牙串口通信主要代碼

4 基于Matlab GUI的PC機(jī)與智能車的通信

4.1 Matlab GUI基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)串口通信的軟件設(shè)計(jì)

在Matlab環(huán)境下，讀取串口數(shù)據(jù)有查詢和中斷兩種方式。查詢方式數(shù)據(jù)只能分批進(jìn)行傳送，實(shí)時性不高，且對系統(tǒng)資源的占用比較大。以中斷方式實(shí)現(xiàn)的串口通信，通常的處理方式是對Matlab提供的instrcallback回調(diào)函數(shù)進(jìn)行修改，采用事件驅(qū)動的方式，達(dá)到實(shí)時處理下位機(jī)傳送數(shù)據(jù)的目的。但是采用Matlab的事件和回調(diào)函數(shù)機(jī)制編程要相對復(fù)雜一些，在對instrcallback函數(shù)進(jìn)行修改和備份等操作時容易出錯且比較麻煩。另外，每次修改instrcallback函數(shù)后都要重新啟動Matlab，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失等一些不必要的麻煩。將事件驅(qū)動函數(shù)寫入GUI組件的M 文件中，可以減少編程的復(fù)雜性，避免一些不必要的麻煩，實(shí)現(xiàn)串口之間的實(shí)時通信。

4.2 設(shè)備控制工具箱介紹

Matlab設(shè)備控制工具箱主要是提供Matlab軟件與各種智能儀器的直接通信功能。工具箱提供了以下功能：

①支持串行接口（RS-232／RS-422／RS-485）、GPIB接口（IEEE 488）等通信協(xié)議。

②支持IVI、VXI plug ＆play 和Matlab 設(shè)備驅(qū)動（instrument drivers），不需要學(xué)會寫與設(shè)備相關(guān)的指令即能與儀器直接聯(lián)通。

③傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以是文本或二進(jìn)制的（數(shù)字的）。

④支持同步和異步（有阻塞或無阻塞）通信。

⑤支持基于事件的通信。

⑥新的TMTOOL 圖形用戶接口不僅能夠連接儀器、接收／發(fā)送數(shù)據(jù)，而且可以自動生成M 代碼文件，以加入編寫的Matlab程序中。

5 基于Matlab GUI查詢方式實(shí)現(xiàn)異步串行通信

基于Matlab查詢方式的非實(shí)時串口通信雖然編程簡單，對數(shù)據(jù)的調(diào)用處理也更為容易，但是只能接收一個過程的數(shù)據(jù)，這在對實(shí)時性要求較高的系統(tǒng)中往往不能滿足設(shè)計(jì)者的需求。以下為部分通信程序代碼。

事件驅(qū)動方式的優(yōu)點(diǎn)是程序響應(yīng)及時，可靠性高。在Matlab環(huán)境下實(shí)現(xiàn)實(shí)時通信的中斷方式，實(shí)際上就是采用事件驅(qū)動的方式實(shí)現(xiàn)的，類似于VB 語言MSComm 控件中OnComm 事件的實(shí)現(xiàn)方法。當(dāng)串口上監(jiān)視到緩沖區(qū)有指定字節(jié)數(shù)目的數(shù)據(jù)可用（bytes-available event），串口接收到的數(shù)據(jù)長時間處于非激活狀態(tài)（break-interrupt event），串行口引腳狀態(tài)改變（pin-status event）或輸出緩沖區(qū)為空（output empty event）等事件發(fā)生時，Matlab會自動調(diào)用回調(diào)函數(shù)進(jìn)行通信事件的處理。因此，事件驅(qū)動實(shí)質(zhì)上是一種中斷機(jī)制，而回調(diào)函數(shù)實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一個中斷服務(wù)子程序。Matlab 端實(shí)時串行通信的程序流程如圖4所示。以下為兩種不同的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時通信的中斷機(jī)制程序。

6.1 將中斷服務(wù)子程序?qū)懭隚UI組件的部分M 文件代碼

主程序創(chuàng)建串口設(shè)備對象、設(shè)置串口設(shè)備屬性及打開串口等初始化操作的代碼與查詢方式下的初始化代碼相同：

圖4 Matlab端實(shí)時串行通信流程圖

6.2 通過調(diào)用修改后的instrcallback.m 文件實(shí)現(xiàn)中斷

主程序：

修改instrcallback（obj，event）回調(diào)函數(shù)，instrcallback.m 文件包含了Matlab提供的回調(diào)函數(shù)程序模板，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)需要自行添加相應(yīng)的服務(wù)程序代碼。Matlab安裝目錄下有兩個instrcallback.m 文件，只需要修改 ＼MATLAB＼toolbox＼matlab＼iofun＼＠instrument目錄下的instrcallback.m 文件即可。另外，在修改instrcallback.m文件之前，最好對其做一個備份。在修改了instrcallback（obj，event）回調(diào)函數(shù)后，需要對其進(jìn)行保存，重新啟動Matlab配置該文件，才使修改后的函數(shù)生效。

圖5為以下方式實(shí)現(xiàn)的智能車啟動過程速度的實(shí)時顯示，修改后的instrcallback.m 文件主要程序代碼如下：

圖5 智能車啟動過程速度實(shí)時顯示

實(shí)驗(yàn)證明，基于Matlab事件驅(qū)動實(shí)現(xiàn)的智能車與上位機(jī)的實(shí)時串口通信可以很好地滿足智能車調(diào)試過程中的需要，且將中斷服務(wù)子程序?qū)懭隚UI組件和修改instrcallback.m 文件兩種方式的通信都穩(wěn)定可靠。

結(jié) 語

在Matlab環(huán)境下兩種實(shí)現(xiàn)智能車與PC機(jī)實(shí)時通信的中斷機(jī)制都能實(shí)時穩(wěn)定地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不過將中斷服務(wù)子程序?qū)懭隚UI組件的方式編程簡單，數(shù)據(jù)處理方便，實(shí)現(xiàn)更為容易，開發(fā)效率相對得到了較大的提高。實(shí)踐證明，采用這種方法是可行的，它不但能夠應(yīng)用于本文的智能車系統(tǒng)，也可廣泛應(yīng)用在其他具有串口通信能力的儀器設(shè)備中。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

［1］Matlab.Instrument Control Toolbox User's Guide，2011.

［2］求是科技.MATLAB7.0從入門到精通［M］.北京：人民郵電出版社，2006：356-358.

［3］向先波，徐國華，張琴.Matlab環(huán)境下PC機(jī)與單片機(jī)的串行通信及數(shù)據(jù)處理［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004（12）：27-31.