摘要：基于某食品加工严格控制温度的需求，提出温度监测系统的总体设计方案，介绍在Matlab环境下串口中断通信的特点，详细描述基于事件驱动的串口中断通信的方法和步骤，最后给出具体的编程方法，并就如何修改回调函数提出几个需要关注的问题。该方法实用可靠，已成功应用。
关键词：温度 Matlab RS-232 回调函数
Temperature Monitoring System Based on Matlab
Serial-interruption Communication
Abstract:According to the requirements of controlling temperature strictly during some foodstuff machining,the paper puts forward the whole design project of the temperature monitoring system,introduces the features of serial-interruption communication under Matlab condition,explains the methods and process of serial-interruption communication based on event-driven in detail, and then provides available programming methods,puts forward several noticeable questions as to how to amend callback function.Successful application shows that this method is practical and credible.
Keywords:temperature Matlab RS-232 callback function
1、引言
某食品在初加工时需要严格控制温度在一定范围内并持续规定时间，温度过低达不到灭菌效果，温度过高食品容易腐烂，为此作者设计一套基于Matlab环境下的温度监测系统。利用AVR单片机将采集到的温度数据传送至计算机的串口中，在Matlab环境下，基于事件驱动的中断通信机制，从计算机的RS-232串口中读取数据，运用Matlab的工程计算和图形处理等优点，对温度数据进行分析处理、文件存储、图形显示等，具备实时监测的功能。
Matlab是由美国Mathworks公司开发的面向工程计算和图形处理的功能强大的软件系统，其Matlab语言以矩阵为基本运算单元。从Matlab6.0版本开始，增加了设备控制箱（instrument control toolbox），正式提供了对RS-232/RS-485通信标准的串口通信的支持；利用该工具箱的serial类及instrcallback()回调函数，能可靠地进行实时串行通信。本文介绍在Matlab环境下，如何运用基于事件驱动的串口中断通信机制，将温度数据读至计算机中，利用Matlab进行数据存储、显示等。
2、系统总体设计简介
假设食品加工时需要N个加热容器，在每个加热容器中放置一个温度传感器，用N个ATMEL公司生产的AVR单片机ATmega48做为温度采集单元对温度数据进行采集，经RS-485总线将数据上传至数据采集板，数据采集板采用AVR单片机ATmega16，完成N个加热容器温度的读取、校验，通过RS-232串口发送至计算机中，利用Matlab的串口中断通信机制接收数据，然后对数据进行分析、存储、绘图和打印等。图1为系统总体设计框图。
图1：系统总体设计框图
数据采集板循环读取各个温度采集单元的数据，每次循环后将各单元数据按一定格式通过串口发送至计算机。数据采集板到计算机的数据格式如下：
起始 温度点数 温度1整数 温度1小数 ? ? ? 温度N整数 温度N小数 校验和
0xff N 0xnn 0xnn ? ? ? 0xnn 0xnn 0xcc
校验和=温度点数（N）+2N个温度数据（取8位）。
计算机利用Matlab的串口中断通信机制接收数据，并且以曲线的形式在计算机上显示，同时对数据进行存储以备打印。
3、Matlab环境下PC计算机与单片机的通信
在Matlab6.0以上版本中新增的设备控制工具条（instrument control toolbox）具备支持计算机与其它具有串口的外部设备之间的通信的功能。其特点如下：
a、支持基于串行接口（RS-232、RS-422、RS-485）的通信；
b、通信数据支持二进制和文本（ASCII）两种方式；
c、支持异步通信和同步通信；
d、支持基于事件驱动的通信（亦称中断方式）。
据此可知，Matlab可以满足串行通信的要求。
3.1 Matlab对串口控制的方法与步骤
Matlab对串口的控制是通过serial()类以及相应的控制函数的方法实现的，主要分为四个步骤：
⑴创建串口设备对象并设置其属性
s=serial('com1'); %创建串口1的设备对象s。
s.InputBufferSize=1024; %输入缓冲区为256B，缺省值为512B。
s.Timeout=2; %设置一次读或写操作的最大完成时间为2s，缺省值为10s。
s.ReadAsyncMode='continuous' (缺省方式); %在异步通信模式方式下，采用连续 (continuous)模式（缺省方式）读取串口数据，而且数据会自动地存入输入缓冲区中。
某些属性只有在对象没有被打开前才能改变其值，如InputBufferSize等。需要注意的是串口设备对象属性的缺省值为波特率9600b/s，异步方式，通信数据格式为8位数据位，无奇偶校验位，1位停止位，如果数据采集板的RS-232工作参数与此相同，则无需修改属性值。另外，用get(s)命令可知道其全部属性，用set(s)命令可知道其基本属性和当前的属性值。
⑵打开串口设备对象
在读写数据采集板的温度数据之前，必须用fopen()命令打开串口设备对象，或者说将计算机与数据采集板通过RS-232连接起来，具体命令格式是：
fopen(s);
打开串口设备对象之前，查看属性s.Status的值为close, 打开以后再查看，其值为open，说明计算机可以读取数据采集板的温度数据。
⑶读取串口数据
串口的读写操作支持二进制和文本（ASCII）两种方式。当Matlab通信数据采用文本（ASCII）方式时，读写串口设备的命令分别是fscanf（以及fgetl, fgets）、fpritf；当Matlab通信数据采用二进制方式时，读写串口设备的命令分别是fread、fwrite。本文以文本方式读取串口数据，故只介绍fscanf的用法，其它命令请参考相应文献。fscanf的命令格式为：
A = fscanf(s,'format',size)；
其中，format是c语言的数据转换标准，缺省值为%c。Size是读取数据字节数，如果Size为[m,n]格式，则A是矩阵；如果Size为n格式，则A是数组。
⑷关闭串口设备对象
使用fclose(s)命令关闭串口设备对象。如果不再使用该串口设备对象，为节省系统资源，用delete(s)命令删除内存中的串口设备对象；用clear s命令清除Matlab工作空间中的串口设备对象。
3．2在Matlab环境下实现串行通信的软件设计
在Matlab环境下，读取串口数据的方法可以分为查询和中断两种。以查询的方式进行串行通信时，需要实时查询串口缓冲区，编程容易，但计算机大量时间用于查询，所以很少使用；以中断方式对串口进行控制实现串行通信，可以实时处理传送的数据，但编程相对复杂。
在Matlab环境下以中断方式进行串行通信，实际上是采用事件驱动的方法实现的。Matlab提供了instrcallback(obj,event)回调函数，用户根据需要可以自行设置具体的串口中断触发事件。Matlab有四种常用的串口中断触发事件：缓冲区有指定字节数目的可用数据事件（bytes-available event）、串口接收到的数据长时间处于非激活状态事件（break-interrupt event）、串口引脚状态改变事件（pin-status event）、输出缓冲区为空事件（output empty event）。当串口上有监视的事件发生时，Matlab会自动调用回调函数进行通信事件的处理。因此，事件驱动实质上是一种中断机制，而回调函数实质上相当于一个中断服务子程序。本文选择bytes-available event中断触发事件读取数据采集板传送的温度数据，下面介绍编程方法。
⑴建立主程序，串口设备初始化操作，指定串口中断触发事件和回调函数
创建串口设备对象、连接串口设备对象、初始化操作的代码与前述代码相同，不再赘述。当串口缓冲区中有n字节的数据时，触发中断事件，自动调用instrcallback(obj,event)回调函数。具体设置如下：
s.BytesAvaibleFcnMode='byte'; %中断触发事件为‘bytes-available Event’。
s.BytesAvailableFcnCount=n; %接收缓冲区每收到n个字节时，触发回调函数。
s.BytesAvailableFcn=@instrcallback; %得到回调函数句柄，指定回调函数。
⑵修改instrcallback(obj,event)回调函数，处理串口中断触发事件
Matlab缺省的回调函数instrcallback(obj,event)存在于toolbox\matlab\iofun\@instrument目录
中。它实际上是一个有待于用户修改的程序模块，Mathworks公司只给出一些最基本的程序代码，能够在Matlab的命令窗口（command window）中显示串口触发中断事件的类型，中断事件所发生的日期、时间以及导致事件发生的对象名等信息，如果在相应的语句后加上分号，则取消显示。中断发生后的通信事件处理以及数据的分析处理任务，需要用户自行添加相应的服务程序代码。
编写主程序和回调函数时，需要注意一下几个问题：
a、在对instrcallback.m文件添加代码之前，最好对其做一个备份，且不要修改Mathworks公司给出的基本程序代码，以免出现错误。
b、回调函数instrcallback(obj,event) 尽量只完成数据接收工作，其余的数据分析、显示、存储等工作放在主程序中进行。
c、在数据处理过程中，可以暂时关闭中断，以免下一个中断干扰处理工作。关闭中断采用语句：
s.ReadAsyncMode = 'manual';
数据处理完毕后，采用下列语句打开中断：
s.ReadAsyncMode = 'continuous';
d、主程序和回调函数之间的变量是相互独立的，各自有独立的工作空间。如有需要，可以将主程序的变量带入回调函数中。例如，把主程序中的变量s带入回调函数中，具体做法如下：
在指定回调函数语句中，将@instrcallback与变量s做为单元数组的元素包含在一个单元数组中：
s.BytesAvailableFcn ={ @instrcallback,s};
然后在编写回调函数代码时，将变量s加入到形式变量列表中：
function instrcallback(obj, event,s)
这样就可以在回调函数instrcallback（）中使用变量s了。
4、结论
在Matlab环境下，基于事件驱动的中断通信机制，从计算机的RS-232串口中读取数据，编程简单，实现容易，且通信可靠，误码率低。实践证明，采用这种方法是可行的，它不但能够应用于本文的温度监测系统，也可广泛应用在其它具有串口通信能力的仪器设备中。另外，Matlab 还提供了对GPIB总线和VISA总线的通信支持，增加了Matlab的适用性。总之，将Matlab和事件驱动的串口通信结合起来，发挥各自优点，可以解决某些工程技术问题。
参考文献
1 [美]D.Hanselman,B.Littlefield著，张航，黄攀译.精通MATLAB 6.0.清华大学出版社，2002
2 马潮编著.高档8位单片机ATmega128原理与开发应用指南.北京航空航天大学出版社，2004
3 Matlab（R2007a）联机帮助.2007
作者简介：孙公道，男，1964年出生，工程硕士，高级工程师。
参看：
http://www.21eic.com/autocontrol/method2241.html
function serialdwj
%本程序使用的是虚拟串口软件VSPD虚拟的COM2和COM3来测试的
%使用COM1也可以使用 已经经过测试了
%如果要使用 请使用COM1口 就可以与下位机通信了
obj1=instrfind('Type','serial','Port','COM3','Tag','');
%COM2为测试串口
obj2=instrfind('Type','serial','Port','COM2','Tag','');
if isempty(obj1)
obj1=serial('COM3');
%新建测试串口
obj2=serial('COM2');
else
fclose(obj1);
obj1=obj1(1);
%打开串口
fclose(obj2);
obj2=obj2(1);
end
set(obj1,'BaudRate',9600,'FlowControl','none','Timeout',0.1)
set(obj1,'Inputbuffersize',512,'Outputbuffersize',512,'parity','none','databits',8,'stopbits',1);
%COM2的属性设置
set(obj2,'BaudRate',9600,'FlowControl','none','Timeout',0.1)
set(obj2,'Inputbuffersize',512,'Outputbuffersize',512,'parity','none','databits',8,'stopbits',1);
fopen(obj1);
%打开串口
fopen(obj2);
k=1;
datas=zeros([1,100]);
while(k<101)
if obj1.BytesAvailable
datas(1,k)=fread(obj1,1);
end
k=k+1;
plot(datas);
%向测试串口中写一个数据数据 在COM3中就可以接受到该数据
fwrite(obj2,round(255*rand(1)));
pause(1);
end
fclose(obj1);
delete(obj1);
%删除测试串口
fclose(obj2);
delete(obj2);
end
%现在使用的m文件来显示的
%到后来有机会就使用gui界面来显示
关键词：温度 Matlab RS-232 回调函数
Temperature Monitoring System Based on Matlab
Serial-interruption Communication
Abstract:According to the requirements of controlling temperature strictly during some foodstuff machining,the paper puts forward the whole design project of the temperature monitoring system,introduces the features of serial-interruption communication under Matlab condition,explains the methods and process of serial-interruption communication based on event-driven in detail, and then provides available programming methods,puts forward several noticeable questions as to how to amend callback function.Successful application shows that this method is practical and credible.
Keywords:temperature Matlab RS-232 callback function
1、引言
某食品在初加工时需要严格控制温度在一定范围内并持续规定时间，温度过低达不到灭菌效果，温度过高食品容易腐烂，为此作者设计一套基于Matlab环境下的温度监测系统。利用AVR单片机将采集到的温度数据传送至计算机的串口中，在Matlab环境下，基于事件驱动的中断通信机制，从计算机的RS-232串口中读取数据，运用Matlab的工程计算和图形处理等优点，对温度数据进行分析处理、文件存储、图形显示等，具备实时监测的功能。
Matlab是由美国Mathworks公司开发的面向工程计算和图形处理的功能强大的软件系统，其Matlab语言以矩阵为基本运算单元。从Matlab6.0版本开始，增加了设备控制箱（instrument control toolbox），正式提供了对RS-232/RS-485通信标准的串口通信的支持；利用该工具箱的serial类及instrcallback()回调函数，能可靠地进行实时串行通信。本文介绍在Matlab环境下，如何运用基于事件驱动的串口中断通信机制，将温度数据读至计算机中，利用Matlab进行数据存储、显示等。
2、系统总体设计简介
假设食品加工时需要N个加热容器，在每个加热容器中放置一个温度传感器，用N个ATMEL公司生产的AVR单片机ATmega48做为温度采集单元对温度数据进行采集，经RS-485总线将数据上传至数据采集板，数据采集板采用AVR单片机ATmega16，完成N个加热容器温度的读取、校验，通过RS-232串口发送至计算机中，利用Matlab的串口中断通信机制接收数据，然后对数据进行分析、存储、绘图和打印等。图1为系统总体设计框图。
图1：系统总体设计框图
数据采集板循环读取各个温度采集单元的数据，每次循环后将各单元数据按一定格式通过串口发送至计算机。数据采集板到计算机的数据格式如下：
起始 温度点数 温度1整数 温度1小数 ? ? ? 温度N整数 温度N小数 校验和
0xff N 0xnn 0xnn ? ? ? 0xnn 0xnn 0xcc
校验和=温度点数（N）+2N个温度数据（取8位）。
计算机利用Matlab的串口中断通信机制接收数据，并且以曲线的形式在计算机上显示，同时对数据进行存储以备打印。
3、Matlab环境下PC计算机与单片机的通信
在Matlab6.0以上版本中新增的设备控制工具条（instrument control toolbox）具备支持计算机与其它具有串口的外部设备之间的通信的功能。其特点如下：
a、支持基于串行接口（RS-232、RS-422、RS-485）的通信；
b、通信数据支持二进制和文本（ASCII）两种方式；
c、支持异步通信和同步通信；
d、支持基于事件驱动的通信（亦称中断方式）。
据此可知，Matlab可以满足串行通信的要求。
3.1 Matlab对串口控制的方法与步骤
Matlab对串口的控制是通过serial()类以及相应的控制函数的方法实现的，主要分为四个步骤：
⑴创建串口设备对象并设置其属性
s=serial('com1'); %创建串口1的设备对象s。
s.InputBufferSize=1024; %输入缓冲区为256B，缺省值为512B。
s.Timeout=2; %设置一次读或写操作的最大完成时间为2s，缺省值为10s。
s.ReadAsyncMode='continuous' (缺省方式); %在异步通信模式方式下，采用连续 (continuous)模式（缺省方式）读取串口数据，而且数据会自动地存入输入缓冲区中。
某些属性只有在对象没有被打开前才能改变其值，如InputBufferSize等。需要注意的是串口设备对象属性的缺省值为波特率9600b/s，异步方式，通信数据格式为8位数据位，无奇偶校验位，1位停止位，如果数据采集板的RS-232工作参数与此相同，则无需修改属性值。另外，用get(s)命令可知道其全部属性，用set(s)命令可知道其基本属性和当前的属性值。
⑵打开串口设备对象
在读写数据采集板的温度数据之前，必须用fopen()命令打开串口设备对象，或者说将计算机与数据采集板通过RS-232连接起来，具体命令格式是：
fopen(s);
打开串口设备对象之前，查看属性s.Status的值为close, 打开以后再查看，其值为open，说明计算机可以读取数据采集板的温度数据。
⑶读取串口数据
串口的读写操作支持二进制和文本（ASCII）两种方式。当Matlab通信数据采用文本（ASCII）方式时，读写串口设备的命令分别是fscanf（以及fgetl, fgets）、fpritf；当Matlab通信数据采用二进制方式时，读写串口设备的命令分别是fread、fwrite。本文以文本方式读取串口数据，故只介绍fscanf的用法，其它命令请参考相应文献。fscanf的命令格式为：
A = fscanf(s,'format',size)；
其中，format是c语言的数据转换标准，缺省值为%c。Size是读取数据字节数，如果Size为[m,n]格式，则A是矩阵；如果Size为n格式，则A是数组。
⑷关闭串口设备对象
使用fclose(s)命令关闭串口设备对象。如果不再使用该串口设备对象，为节省系统资源，用delete(s)命令删除内存中的串口设备对象；用clear s命令清除Matlab工作空间中的串口设备对象。
3．2在Matlab环境下实现串行通信的软件设计
在Matlab环境下，读取串口数据的方法可以分为查询和中断两种。以查询的方式进行串行通信时，需要实时查询串口缓冲区，编程容易，但计算机大量时间用于查询，所以很少使用；以中断方式对串口进行控制实现串行通信，可以实时处理传送的数据，但编程相对复杂。
在Matlab环境下以中断方式进行串行通信，实际上是采用事件驱动的方法实现的。Matlab提供了instrcallback(obj,event)回调函数，用户根据需要可以自行设置具体的串口中断触发事件。Matlab有四种常用的串口中断触发事件：缓冲区有指定字节数目的可用数据事件（bytes-available event）、串口接收到的数据长时间处于非激活状态事件（break-interrupt event）、串口引脚状态改变事件（pin-status event）、输出缓冲区为空事件（output empty event）。当串口上有监视的事件发生时，Matlab会自动调用回调函数进行通信事件的处理。因此，事件驱动实质上是一种中断机制，而回调函数实质上相当于一个中断服务子程序。本文选择bytes-available event中断触发事件读取数据采集板传送的温度数据，下面介绍编程方法。
⑴建立主程序，串口设备初始化操作，指定串口中断触发事件和回调函数
创建串口设备对象、连接串口设备对象、初始化操作的代码与前述代码相同，不再赘述。当串口缓冲区中有n字节的数据时，触发中断事件，自动调用instrcallback(obj,event)回调函数。具体设置如下：
s.BytesAvaibleFcnMode='byte'; %中断触发事件为‘bytes-available Event’。
s.BytesAvailableFcnCount=n; %接收缓冲区每收到n个字节时，触发回调函数。
s.BytesAvailableFcn=@instrcallback; %得到回调函数句柄，指定回调函数。
⑵修改instrcallback(obj,event)回调函数，处理串口中断触发事件
Matlab缺省的回调函数instrcallback(obj,event)存在于toolbox\matlab\iofun\@instrument目录
中。它实际上是一个有待于用户修改的程序模块，Mathworks公司只给出一些最基本的程序代码，能够在Matlab的命令窗口（command window）中显示串口触发中断事件的类型，中断事件所发生的日期、时间以及导致事件发生的对象名等信息，如果在相应的语句后加上分号，则取消显示。中断发生后的通信事件处理以及数据的分析处理任务，需要用户自行添加相应的服务程序代码。
编写主程序和回调函数时，需要注意一下几个问题：
a、在对instrcallback.m文件添加代码之前，最好对其做一个备份，且不要修改Mathworks公司给出的基本程序代码，以免出现错误。
b、回调函数instrcallback(obj,event) 尽量只完成数据接收工作，其余的数据分析、显示、存储等工作放在主程序中进行。
c、在数据处理过程中，可以暂时关闭中断，以免下一个中断干扰处理工作。关闭中断采用语句：
s.ReadAsyncMode = 'manual';
数据处理完毕后，采用下列语句打开中断：
s.ReadAsyncMode = 'continuous';
d、主程序和回调函数之间的变量是相互独立的，各自有独立的工作空间。如有需要，可以将主程序的变量带入回调函数中。例如，把主程序中的变量s带入回调函数中，具体做法如下：
在指定回调函数语句中，将@instrcallback与变量s做为单元数组的元素包含在一个单元数组中：
s.BytesAvailableFcn ={ @instrcallback,s};
然后在编写回调函数代码时，将变量s加入到形式变量列表中：
function instrcallback(obj, event,s)
这样就可以在回调函数instrcallback（）中使用变量s了。
4、结论
在Matlab环境下，基于事件驱动的中断通信机制，从计算机的RS-232串口中读取数据，编程简单，实现容易，且通信可靠，误码率低。实践证明，采用这种方法是可行的，它不但能够应用于本文的温度监测系统，也可广泛应用在其它具有串口通信能力的仪器设备中。另外，Matlab 还提供了对GPIB总线和VISA总线的通信支持，增加了Matlab的适用性。总之，将Matlab和事件驱动的串口通信结合起来，发挥各自优点，可以解决某些工程技术问题。
参考文献
1 [美]D.Hanselman,B.Littlefield著，张航，黄攀译.精通MATLAB 6.0.清华大学出版社，2002
2 马潮编著.高档8位单片机ATmega128原理与开发应用指南.北京航空航天大学出版社，2004
3 Matlab（R2007a）联机帮助.2007
作者简介：孙公道，男，1964年出生，工程硕士，高级工程师。
参看：
http://www.21eic.com/autocontrol/method2241.html
function serialdwj
%本程序使用的是虚拟串口软件VSPD虚拟的COM2和COM3来测试的
%使用COM1也可以使用 已经经过测试了
%如果要使用 请使用COM1口 就可以与下位机通信了
obj1=instrfind('Type','serial','Port','COM3','Tag','');
%COM2为测试串口
obj2=instrfind('Type','serial','Port','COM2','Tag','');
if isempty(obj1)
obj1=serial('COM3');
%新建测试串口
obj2=serial('COM2');
else
fclose(obj1);
obj1=obj1(1);
%打开串口
fclose(obj2);
obj2=obj2(1);
end
set(obj1,'BaudRate',9600,'FlowControl','none','Timeout',0.1)
set(obj1,'Inputbuffersize',512,'Outputbuffersize',512,'parity','none','databits',8,'stopbits',1);
%COM2的属性设置
set(obj2,'BaudRate',9600,'FlowControl','none','Timeout',0.1)
set(obj2,'Inputbuffersize',512,'Outputbuffersize',512,'parity','none','databits',8,'stopbits',1);
fopen(obj1);
%打开串口
fopen(obj2);
k=1;
datas=zeros([1,100]);
while(k<101)
if obj1.BytesAvailable
datas(1,k)=fread(obj1,1);
end
k=k+1;
plot(datas);
%向测试串口中写一个数据数据 在COM3中就可以接受到该数据
fwrite(obj2,round(255*rand(1)));
pause(1);
end
fclose(obj1);
delete(obj1);
%删除测试串口
fclose(obj2);
delete(obj2);
end
%现在使用的m文件来显示的
%到后来有机会就使用gui界面来显示
作者：jackxiang@向东博客 专注WEB应用 构架之美 --- 构架之美，在于尽态极妍 | 应用之美，在于药到病除
地址：https://jackxiang.com/post/1764/
版权所有。转载时必须以链接形式注明作者和原始出处及本声明！
最后编辑： jackxiang 编辑于2009-7-17 11:10
arsort排序参数参考
Matlab与VB集成评论列表
