基于Matlab和AVR单片机的串行数据通信设计

伊磊 聂欢欢 刘任平

摘要：介绍了基于Matlab和AVR单片机通过PC机进行通信的方法。通过Matlab下的通信类Serial类元件库实现串行通信，并利用AVR单片机对采集到的数据进行相应处理。

关键词： 串行通信； Serial类对象； AVR单片机； Matlab串行通信

中图分类号：TP919文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2012）03-33-02

Serial communication based on Matlab and AVR

Yi Lei, Nie Huanhuan, Liu Renping

(North China University of Technology, Beijing, 100144, China)

Abstract： The authors present in this paper an approach for serial communication based on Matlab and AVR through PC and explain how to achieve the serial communication based on the component library of Matlab and act respectively according to the data which the MCU collects.

Key words： serial communication； serial class object； MCU of AVR； serial communication of Matlab

0 引言

Matlab是MathWorks公司开发的一种科学计算软件。Matlab运行稳定、可靠、使用方便，是广大科研人员进行科学研究的得力助手。Matlab不仅具有强大的科学计算功能，还具有满足一般要求的数据采集以及界面设计开发等功能[1]。

串行通信是指使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度的通信方法。它只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。

目前常用的串行通讯协议有RS-232、RS-422和RS-485等。

从Matlab 6.0版本开始，软件中增加了设备控制箱(Instrument Control Toolbox)功能，提供了对RS-232/RS-485通信标准的串口通信的正式支持。利用该工具箱的serial类及fopen、fread等函数，能可靠地进行实时串行通信。根据Matlab的设备控制箱功能，Matlab产生的数据，例如图像数据、音频数据等，通过串口输出作为传输的数据源，并可通过控制电路由AVR单片机实现。这种方法将Matlab的数据运算与单片机的数据处理有机结合起来，具有一定的实际意义[2]。

1 Matlab的串口通信原理

对于系统的串口，在Matlab中以serial类的形式提供了支持。当用指令建立一个串口对象(句柄)后，对串口的硬件操作可以以文件操作的软件方式来完成，该方法比较简单。

Matlab提供了对串口进行打开、关闭、以及串口参数设置等操作的一系列函数。利用这些函数可以选择串口号、设置串口通信参数，例如波特率、数据位、停止位、校验位等。

Matlab对串口的控制主要通过以下几个步骤[3]。

⑴ 为应用程序创建串口对象，需要用到的函数为

s=serial(‘COM1)：创建COM1串口对象，并以s标识。其中串口的属性使用系统默认值。

⑵ 创建串口COM1后，打开串口需要用到的函数为

fopen(s)：打开COM1串口。

⑶ 设置串口的属性参数，需要用到的函数为

props=set(s,‘PropertyName,PropertyValue,…)：设置正确的串口通信参数。

通过定义串口对象的属性, 就能定义串口的通信模式，也可以了解串口的状态。串口对象几个比较重要的属性如下。

BaudRate：定义传输波特率，常用的波特率有1200、2400、4800、9600、19200、115200等，缺省值为9600；

DataBits：定义数据帧的比特位数；

Parity：定义校验方式；

StopBits：定义数据停止位。

⑷ 从串口读数据或者向串口写数据，也就是接收或者发送数据。需要用到的函数和参数有以下[4]。

fread(s)：以二进制通信方式读取串口数据。

fwrite(s)：以二进制通信方式向串口写数据。

fprintf(s, ‘ ID)：以文本通信方式向串口输出字符串‘ID，写操作以同步方式进行。

id=fscanf(s)：以文本通信方式向串口读入字符串‘ID，并且保存在变量id中。

⑸ 关闭串口并且释放串口对象占用的存储空间。需要用到的函数有以下。

fclose(s)：关闭串口。

delete(s)：释放串口对象占用的内存空间。

clear s：释放串口对象在Matlab工作区中占用的存储空间。

用Matlab实现对串口的读写操作，单片机可以通过串口接收Matlab传来的数据，并且对数据作出处理。

2 AVR对串口数据进行处理

以下实验是通过Matlab对串口写数据后，单片机对传到串口的数据进行处理的过程。整个系统的结构图如图1所示。

[PC机

模块][MAX232A

电平转换][AVR

单片机

模块]

图1系统结构图

2.1 基于Matlab的上位机通讯

用Matlab以查询方式的进行异步串行通信的主要代码为：

s=serial(‘COM1);%创建COM1串口对象，并以s标示

s.baudrate=9600;%波特率为9600

s.stopbits=1;%设置停止位

fopen(s);%打开COM1串口

fwrite ( s , ‘16, ‘uchar);%向s写十进制数16

fclose (s);%断开串口COM1与s的相连

delete (s);%从内存中删除串口对象s

clear s;%从Matlab工作区中清除串行接口对象s

2.2 基于AVR单片机的下位机通讯

单片机系统处于下位机状态,等待Matlab 传来的命令。当串口接收到数据后，按照协议对数据进行分析（这里使用的是AVR单片机中的mega8系列）。对串行数据进行处理的软件处理流程图如图2所示[5]。

本设计来源于机器人语音识别项目。利用PC机识别语音信号后，让机器人将做出相应的动作。

实现过程为：Matlab做出语音识别后输出一个值，单片机根据这个值所对应的数据，来写端口值进而驱动电机，电机的转动带动机器人四肢的转动，从而实现目标。

[开始][串行口初始化

设置相关寄存器] [接受缓存为空？][接收PC机

发送信号] [是否为握手信号

0XFFH？][开始通信][单片机处理过程][结束][Y][N] [N][Y]

图2AVR单片机下位机流程图

3 结束语

本文所采用的串行通信方式为查询方式，因此系统的实时性不是很好。在实际运用中，可以选择Matlab所提供的instrcallback(s)回调函数以实现良好的实时性。另外本文所述单片机驱动的是电机，有兴趣的读者可以驱动其他外设。

参考文献：

[1] 王战军,沈明.基于Matlab GUI的串口通信编程实现[J].现代电子技术,2010.9:39~44

[2] 李俊华.基于Matlab的红外串行通信研究[J].现代电子技术,2011.3:59~65

[3] 张立材.基于Matlab环境的串行数据通信[J].微计算机信息,2004.3:100~101

[4] 孙希延,纪元法,施浒立.基于MATLAB的串口GPS数据通信处理系统设计[J].仪器仪表用户,2006.6:64~65

[5] 向先波,徐国华,张琴.Matlab环境下PC机与单片机的串行通信及数据处理[J].单片机与嵌入式系统应用,2004.12:27~31