PC與單片機的串行通信及數據處理

作者：時間：2011-12-29 來源：網絡

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　　引言

　　Matlab是由美國Mathworks公司開發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語言是一種以矩陣為基本運算單元的解釋執行的高級語言，編程簡例，只要幾條語句就能實現諸如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類及instrcallback()回調函數，能可靠地進行實時串地通信。為此，筆者充分結合單片機和Matlab的優點，基于事件驅動的中斷通信機制，提出了一種Matlab環境下PC機與單片機實時串行通信的數據處理方法，極大地簡化開發流程，提高了系統開發效率。另外，與目前普遍采用的基于Matlab查詢方式下的非實時串行通信技術相比，這種方法的實用性也大大增強了。

　　1 系統總體設計簡介

　　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時數據采集處理系統為例，介紹基于Matlab環境下PC機與單片機串行通信的實時數據處理方法的實現。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MAX232電平轉換芯片相連，系統工作時，Matlab通過調用設備控制工具箱中的serial類及相關函數。來創建串口設備對象，得到設備的文件句柄，從而以操作文件的方式實現對PC機串行口的讀寫操作。因而PC機可以通過Matlab向串行口發送特殊指令，PIC單片機應用系統對此作出相應的反應，將A/D采樣數據通過串行口回送給PC機。此時，Matlab通過中斷的方式，實時接收單片機發送的數據，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串行通信（SCI）模塊。該模塊是一個通用的同步/異步收發（USART）通信接口。

　　PIC16F876的SCI通信接口有兩個外部引腳——RC6/TX（SCI發送輸出引腳）和RC7/RX（SCI接收輸入引腳），引腳的信號電平為TTL類型；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，必須進行信號電平轉換。為此，在電路中選用Maxim公司的MAX232芯片，以實現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12m為宜，在工業控制現場很受限制。為保證硬件設計的兼容性和易擴展性，能夠應用于不同場合，考慮到實際應用的需要，在硬件電路中還可選用一個MAX491芯片，添加了一個RS-485通信接口。

　　如圖2所示，實際使用過程中，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MAX232芯片與PC機串口相連時，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，系統采用RS-485的通信標準。另外，還可通過PIC單片機控制MAX489芯片的DE、RE引腳，隨時使能或屏蔽掉MAX489的數據接收和數據發送功能。

　　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，以較高速度進行通信。同時，為了增強通信的可靠性、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。軟件握手協議規定如下：PC機發送符合握手信號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數據，兩次發送數據的時間間隔為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個字節不是0xFF，則屏棄該數據包；若是，則表示握手成功，經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。

[next]

　　PIC16F876端串行通信的C語言程序流程如圖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，接收數據長度為8位，無奇偶校驗TRISC6=0； //RC6引腳設置為輸出方式TRISC7=1； //PC7引腳設置為輸入方式}//串口接收和發送數據子程序void sci_com(){while(!RCIF); //查詢接收中斷標志位，等待上位機發送的串口數據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]; //發送第1組32字節的A/D轉換數據，包含握手信號0xFF為33個字節數據while(!TXIF); //查詢發送標志位，等待數據發送完畢再進行下一次數據發送}delay_ms(5); //PIC單片機定時5ms發送第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];//發送第2組32個字節A/D轉換數據及握手信號數據While(!TXIF); //查詢發送標志位，等待數據發送完畢再進行下一次數據發送}}}

　　3 Matlab環境下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）用來負責上、下位機之間的通信。該設備控制工具箱的特色如下：

　　①支持基于串行接口（RS-232、RS-422、RS-485）、GPIB總線（IEEE2488、HPIB標準）、VISA總線的通信；

　　②通信數據支持二進制和文本（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支持基于事件驅動的通信。

　　從以上的Matlab設備控制工具箱的特點可以看到，Matlab完全可以滿足我們實現串行通信的要求。

　　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步驟。

　　①創建串口設備對象并設置其屬性。

　　scom=serial('com1');%創建串口1的設備對象scom

　　scom.Terminator='CR';%設置終止符為CR（回車符），缺省為LF（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設置一次讀或寫操作的最大完成時間為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自動地存入輸入緩沖區中.

　　注意:在些屬性只有在對象沒有被打開時才能改變其值,如InputBufferSize、OutputBufferSize屬性等。對于一個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')。創建了對象后可以在Matlab命令窗口直接敲對象名并回車，看到其基本屬性和當前狀態。若需要知道其全部的屬性，可以用get(scom)命令。

　　②打開串口設備對象。

　　fopen(scom);

　　③讀寫串口操作。初始化并打開串口調協對象之后，現在可以對串口設備對象進行讀寫操作，串口的讀寫操作支持二進制和文本（ASCII）兩種方式。當Matlab通信數據采用西方（ASCII）方式時，讀寫串口設備的命令分別是fscanf、fpritf；當Matlab通信數據采用二進制方式時，讀寫串口設備的命令分別是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];%從串口設備對象scom中讀入10*100個數據填充到數組A[10,100]中，并以整型的數據格式存放。