【STM32F429的DSP教程】第9章 Matlab的串口通信实现

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第9章   Matlab的串口通信实现

本章节主要为大家讲解Matlab的串口方式波形数据传输和后期数据分析功能，非常实用。

9.1 初学者重要提示

9.2 程序设计框架

9.3 下位机STM32H7程序设计

9.4 上位机Matlab程序设计

9.5 Matlab上位机程序运行

9.6 实验例程说明（MDK）

9.7 实验例程说明（IAR）

9.8 总结

 

 

9.1   初学者重要提示

1、  测试本章节例程注意事项。

•   请优先运行开发板，然后运行matlab。
•   调试matlab串口数据发送前，请务必关闭串口助手。

2、  函数delete(instrfindall);

如果不用matlab了，请在matlab的命令输入窗口调用此函数，防止matlab一直占用串口。

9.2   程序设计框架

上位机和下位机的程序设计框架如下：

 

上位机和下位机做了一个简单的同步，保证数据通信不出错。

9.3   下位机STM32F429程序设计

STM32F429端的程序设计思路。

9.3.1  第1步，发送的数据格式

为了方便数据发送，专门设计了一个数据格式：

__packed typedef struct
{
    uint16_t data1;
    uint16_t data2;    
    uint16_t data3;    
    uint8_t  data4;    
    uint8_t  data5;
    uint8_t  data6;        
    uint8_t  data7;
}
SENDPARAM_T;

SENDPARAM_T g_SendData;

为了保证数据的连续存储，特地在前面加了一个关键词__packed。关于结构体变量占用多少字节问题，此贴进行了详细说明：http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=89103 。

9.3.2  第2步，接收同步信号$

Matlab发送同步信号$（ASCII编码值是13）给开发板。

int main(void)
{
    /* 省略未写，仅留下关键代码 */

    /* 进入主程序循环体 */
    while (1)
    {

        /* 判断定时器超时时间 */
        if (bsp_CheckTimer(0))    
        {
            /* 每隔100ms 进来一次 */  
            bsp_LedToggle(2);
        }
        
        if (comGetChar(COM1, &read))
        {
            /* 接收到同步帧'$'*/
            if(read == 13)
            {
                bsp_LedToggle(4);
                bsp_DelayMS(10);
                Serial_sendDataMATLAB();
            }
        }
    }
}

通过函数comGetChar获取串口接收到的数据，如果数值是13，说明接收到Matlab发送过来的同步信号了。

这里要注意一点，程序这里接收到同步信号后，延迟了10ms再发数据给matlab，主要是因为matlab的波形刷新有点快，程序这里每发送给matlab一次数据，matlab就会刷新一次，10ms就相当于100Hz的刷新率，也会有一定的闪烁感。

9.3.3  第3步，发送数据给Matlab

下面是给Matlab回复同步信号和相应数据的实现：

/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: Serial_sendDataMATLAB
*    功能说明: 发送串口数据给matlab
*    形    参: 无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void Serial_sendDataMATLAB(void)
{
    /* 先发同步信号'$' */
    comSendChar(COM1, 13);
    
    /* 发送数据，一共10个字节 */
    g_SendData.data1 = rand()%65536;
    g_SendData.data2 = rand()%65536;
    g_SendData.data3 = rand()%65536;
    g_SendData.data4 = rand()%256;  
    g_SendData.data5 = rand()%256;  
    g_SendData.data6 = rand()%256;  
    g_SendData.data7 = rand()%256;  
    comSendBuf(COM1, (uint8_t *)&g_SendData, 10);
}

开发板接收到同步信号后，会回应一个同步信号，然后将10个字节的数据发送给matlab。通过这三步就完成了STM32H7端的程序设计。

9.4   上位机Matlab程序设计

Matlab端的程序设计要略复杂些，需要大家理解matlab端的API。具体说明可以看如下地址：

https://ww2.mathworks.cn/help/matlab/serial-port-devices.html 。

9.4.1  第1步，配置并打开串口

下面操作是配置并打开串口：

close all
clear all
 
%删除所有已经打开的串口，这条很重要，防止之前运行没有关闭串口
delete(instrfindall);  

%打开串口COM1，波特率115200，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验，无流控制
s = serial('COM1', 'BaudRate', 115200, 'DataBits', 8, 'StopBits', 1, 'Parity', 'none', 'FlowControl', 'none');
s.ReadAsyncMode = 'continuous';
fopen(s);
 
fig = figure(1);

这里有以下几点需要大家了解：

•   函数delete(instrfindall)

这个函数比较重要，防止上次matlab操作串口，结束时没有关闭串口。通过这个函数会将其关闭。

•   函数serial

大家要特别注意打开的COM序号，务必要根据实际使用的COM号进行设置。

•   函数fopen

通过函数fopen打开串口。

9.4.2  第2步，相关变量设置

程序里面对这些变量的注释已经比较详细：

AxisMax =  65536;    %坐标轴最大值
AxisMin = -65536;    %坐标轴最小值
window_width = 800;  %窗口宽度

g_Count =0;          %接收到的数据计数
SOF = 0;             %同步帧标志
AxisValue = 1;       %坐标值
RecDataDisp = zeros(1,100000); %开辟100000个数据单元，用于存储接收到的数据。
RecData = zeros(1,100);        %开辟100个数据单元，用于数据处理。
Axis = zeros(1,100000);        %开辟100000个数据单元，用于X轴。

window = window_width * (-0.9); %窗口X轴起始坐标
axis([window, window + window_width, AxisMin, AxisMax]); %设置窗口坐标范围

%子图1显示串口上传的数据
subplot(2,1,1); 
grid on;
title('串口数据接收');
xlabel('时间');
ylabel('数据');

%子图2显示波形的幅频响应
subplot(2,1,2);
grid on;
title( 'FFT');
xlabel( '频率');
ylabel( '幅度');

Fs = 100;       % 采样率
N = 50;         % 采样点数
n = 0:N-1;      % 采样序列
f = n * Fs / N; %真实的频率

这里有以下几点需要大家了解：

•   变量RecDataDisp，RecData和Axis

这几个变量专门开辟好了数据空间，防止matlab警告和刷新波形慢的问题，大家根据需要可以进行加大。

•   采样率Fs = 100和采样点数N = 50

这个地方要根据实际的情况进行设置。

9.4.3  第3步，数据同步部分

这部分代码比较关键，matlab先发送同步信号$出去，然后等待开发板回复同步信号$，并读取本次通信的数据。

%设置同步信号标志， = 1表示接收到下位机发送的同步帧
SOF = 0;  

%发送同步帧
fwrite(s, 13);

%获取是否有数据
bytes = get(s, 'BytesAvailable');
if bytes == 0
     bytes = 1;
end

%读取下位机返回的所有数据
RecData = fread(s, bytes, 'uint8');

%检索下位机返回的数据中是否有字符$
StartData = find(RecData == 13);

%如果检索到$，读取10个字节的数据，也就是5个uint16的数据
if(StartData >= 1)
    RecData = fread(s, 5, 'uint16');
    SOF =1;
    StartData = 0;
end

这里有以下几点需要大家了解：

•   函数fwrite(s, 13)

用于发送同步信号$（ASCII值是13）。

•   函数get(s, 'BytesAvailable')

用于获取串口缓冲中的字节数。

•   函数fread(s, bytes, 'uint8')

将串口缓冲的数据读取输出。

•  函数find(RecData == 13)

检索接收到串口数据中是否有同步信号$。

•   函数fread(s, 5, 'uint16')

如果检索到$，继续读取10个字节的数据，也就是5个uint16的数据。

9.4.4  第4步，显示串口上传的数据

下面matlab的数据显示波形

%更新接收到的数据波形
if(SOF == 1)
    %更新数据
    RecDataDisp(AxisValue) =  RecData(1);
    RecDataDisp(AxisValue + 1) =  RecData(2);
    RecDataDisp(AxisValue + 2) =  RecData(3);
    RecDataDisp(AxisValue + 3) =  RecData(4);
    RecDataDisp(AxisValue + 4) =  RecData(5);
    
    %更新X轴
    Axis(AxisValue) = AxisValue;
    Axis(AxisValue + 1) = AxisValue + 1;
    Axis(AxisValue + 2) = AxisValue + 2;
    Axis(AxisValue + 3) = AxisValue + 3;
    Axis(AxisValue + 4) = AxisValue + 4;

    %更新变量
    AxisValue = AxisValue + 5;
    g_Count = g_Count + 5;
    
    %绘制波形
    subplot(2,1,1);
    plot(Axis(1:AxisValue-1),  RecDataDisp(1:AxisValue-1), 'r');
    window = window + 5;
    axis([window, window + window_width, AxisMin, AxisMax]);
    grid on;
    title('串口数据接收');
    xlabel('时间');
    ylabel('数据');
    drawnow
end

这里有以下几点需要大家了解：

•   数组RecDataDisp，RecData和Axis

这里要尤其注意，matlab的数组索引是从1开始的，也是开头直接定义AxisValue = 1的原因。

•   函数plot

这里plot的实现尤其重要，务必要注意坐标点和数值个数要匹配。

9.4.5  第5步，FFT数据展示

FFT部分会在在后面章节为大家详细讲解，这里也做个说明，这里是每接收够50个数据，做一次FFT：

if(g_Count== 50)
   subplot(2,1,2); 
   %对原始信号做 FFT 变换
   y = fft(RecDataDisp(AxisValue-50:AxisValue-1), 50); 
   
   %求 FFT 转换结果的模值
   Mag = abs(y)*2/N;  
   
   %绘制幅频相应曲线
   plot(f, Mag, 'r'); 
   grid on;
   title( 'FFT');
   xlabel( '频率');
   ylabel( '幅度');
   g_Count = 0;
   drawnow
end

9.5   Matlab上位机程序运行

M文件的程序代码在例子V7-203_Matlab串口波形刷新和数据分析m文件里面。M文件的运行方法在第4章的4.2小节有详细说明。

9.6   实验例程说明（MDK）

配套例子：

V6-202_Matlab的串口通信实现

实验目的：

1. 学习matlab的串口数据通信。

实验内容：

1. 启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED2。
2. 请优先运行开发板，然后运行matlab。
3. 调试matlab串口数据发送前，请务必关闭串口助手。

使用AC6注意事项

特别注意附件章节C的问题

上电后串口打印的信息：

波特率 115200，数据位 8，奇偶校验位无，停止位 1

 

Matlab的上位机效果：

 

程序设计：

  系统栈大小分配：

 

  硬件外设初始化

硬件外设的初始化是在 bsp.c 文件实现：

/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: bsp_Init
*    功能说明: 初始化所有的硬件设备。该函数配置CPU寄存器和外设的寄存器并初始化一些全局变量。只需要调用一次
*    形    参：无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void bsp_Init(void)
{
    /* 
       STM32H429 HAL 库初始化，此时系统用的还是F429自带的16MHz，HSI时钟:
       - 调用函数HAL_InitTick，初始化滴答时钟中断1ms。
       - 设置NVIV优先级分组为4。
     */
    HAL_Init();

    /* 
       配置系统时钟到168MHz
       - 切换使用HSE。
       - 此函数会更新全局变量SystemCoreClock，并重新配置HAL_InitTick。
    */
    SystemClock_Config();

    /* 
       Event Recorder：
       - 可用于代码执行时间测量，MDK5.25及其以上版本才支持，IAR不支持。
       - 默认不开启，如果要使能此选项，务必看V5开发板用户手册第8章
    */    
#if Enable_EventRecorder == 1  
    /* 初始化EventRecorder并开启 */
    EventRecorderInitialize(EventRecordAll, 1U);
    EventRecorderStart();
#endif
    
    bsp_InitKey();        /* 按键初始化，要放在滴答定时器之前，因为按钮检测是通过滴答定时器扫描 */
    bsp_InitTimer();      /* 初始化滴答定时器 */
    bsp_InitUart();    /* 初始化串口 */
    bsp_InitExtIO();   /* 初始化扩展IO */
    bsp_InitLed();        /* 初始化LED */    
}

  主功能：

主程序实现如下操作：

•   接收matlab发送过来的同步信号，并回一个同步信号后，传输相应的数据过去

/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: main
*    功能说明: c程序入口
*    形    参: 无
*    返 回 值: 错误代码(无需处理)
*********************************************************************************************************
*/
int main(void)
{
    uint8_t ucKeyCode;        /* 按键代码 */
    uint8_t read;
    
    bsp_Init();        /* 硬件初始化 */
    
    PrintfLogo();    /* 打印例程名称和版本等信息 */
    PrintfHelp();    /* 打印操作提示 */

    bsp_StartAutoTimer(0, 50);  /* 启动1个100ms的自动重装的定时器 */
    
    /* 进入主程序循环体 */
    while (1)
    {
        bsp_Idle();        /* 这个函数在bsp.c文件。用户可以修改这个函数实现CPU休眠和喂狗 */

        /* 判断定时器超时时间 */
        if (bsp_CheckTimer(0))    
        {
            /* 每隔100ms 进来一次 */  
            bsp_LedToggle(2);
        }
        
        if (comGetChar(COM1, &read))
        {
            /* 接收到同步帧'$'*/
            if(read == 13)
            {
                bsp_LedToggle(4);
                bsp_DelayMS(100);
                Serial_sendDataMATLAB();
            }
        }
        
        /* 按键滤波和检测由后台systick中断服务程序实现，我们只需要调用bsp_GetKey读取键值即可。 */
        ucKeyCode = bsp_GetKey();    /* 读取键值, 无键按下时返回 KEY_NONE = 0 */
        if (ucKeyCode != KEY_NONE)
        {
            switch (ucKeyCode)
            {
                case KEY_DOWN_K1:            /* K1键按下 */
                    printf("K1键按下\r\n");
                    break;

                case KEY_UP_K1:            /* K1键弹起 */
                    break;

                case KEY_DOWN_K2:            /* K2键按下 */
                    printf("K2键按下\r\n");
                    break;

                case KEY_UP_K2:            /* K2键弹起 */
                    printf("K2键弹起\r\n");
                    break;

                case KEY_DOWN_K3:            /* K3键按下 */
                    printf("K3键按下\r\n");
                    break;

                case KEY_UP_K3:            /* K3键弹起 */
                    printf("K3键弹起\r\n");
                    break;
                
                default:
                    /* 其它的键值不处理 */
                    break;
            }
        
        }
    }
}

/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: Serial_sendDataMATLAB
*    功能说明: 发送串口数据给matlab
*    形    参: 无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void Serial_sendDataMATLAB(void)
{
    /* 先发同步信号'$' */
    comSendChar(COM1, 13);
    
    /* 发送数据，一共10个字节 */
    g_SendData.data1 = rand()%65536;
    g_SendData.data2 = rand()%65536;
    g_SendData.data3 = rand()%65536;
    g_SendData.data4 = rand()%256;  
    g_SendData.data5 = rand()%256;  
    g_SendData.data6 = rand()%256;  
    g_SendData.data7 = rand()%256;  
    comSendBuf(COM1, (uint8_t *)&g_SendData, 10);
}

9.7   实验例程说明（IAR）

配套例子：  

V6-202_Matlab的串口通信实现

实验目的：  

1. 学习matlab的串口数据通信。

实验内容：

1. 启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED2。
2. 请优先运行开发板，然后运行matlab。
3. 调试matlab串口数据发送前，请务必关闭串口助手。

上电后串口打印的信息：

波特率 115200，数据位 8，奇偶校验位无，停止位 1

 

Matlab的上位机效果：

 

程序设计：

  系统栈大小分配：

 

  硬件外设初始化

硬件外设的初始化是在 bsp.c 文件实现：

/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: bsp_Init
*    功能说明: 初始化所有的硬件设备。该函数配置CPU寄存器和外设的寄存器并初始化一些全局变量。只需要调用一次
*    形    参：无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void bsp_Init(void)
{
    /* 
       STM32H429 HAL 库初始化，此时系统用的还是F429自带的16MHz，HSI时钟:
       - 调用函数HAL_InitTick，初始化滴答时钟中断1ms。
       - 设置NVIV优先级分组为4。
     */
    HAL_Init();

    /* 
       配置系统时钟到168MHz
       - 切换使用HSE。
       - 此函数会更新全局变量SystemCoreClock，并重新配置HAL_InitTick。
    */
    SystemClock_Config();

    /* 
       Event Recorder：
       - 可用于代码执行时间测量，MDK5.25及其以上版本才支持，IAR不支持。
       - 默认不开启，如果要使能此选项，务必看V5开发板用户手册第8章
    */    
#if Enable_EventRecorder == 1  
    /* 初始化EventRecorder并开启 */
    EventRecorderInitialize(EventRecordAll, 1U);
    EventRecorderStart();
#endif
    
    bsp_InitKey();        /* 按键初始化，要放在滴答定时器之前，因为按钮检测是通过滴答定时器扫描 */
    bsp_InitTimer();      /* 初始化滴答定时器 */
    bsp_InitUart();    /* 初始化串口 */
    bsp_InitExtIO();   /* 初始化扩展IO */
    bsp_InitLed();        /* 初始化LED */    
}

  主功能：

主程序实现如下操作：

•   接收matlab发送过来的同步信号，并回一个同步信号后，传输相应的数据过去

/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: main
*    功能说明: c程序入口
*    形    参: 无
*    返 回 值: 错误代码(无需处理)
*********************************************************************************************************
*/
int main(void)
{
    uint8_t ucKeyCode;        /* 按键代码 */
    uint8_t read;
    
    bsp_Init();        /* 硬件初始化 */
    
    PrintfLogo();    /* 打印例程名称和版本等信息 */
    PrintfHelp();    /* 打印操作提示 */

    bsp_StartAutoTimer(0, 50);  /* 启动1个100ms的自动重装的定时器 */
    
    /* 进入主程序循环体 */
    while (1)
    {
        bsp_Idle();        /* 这个函数在bsp.c文件。用户可以修改这个函数实现CPU休眠和喂狗 */

        /* 判断定时器超时时间 */
        if (bsp_CheckTimer(0))    
        {
            /* 每隔100ms 进来一次 */  
            bsp_LedToggle(2);
        }
        
        if (comGetChar(COM1, &read))
        {
            /* 接收到同步帧'$'*/
            if(read == 13)
            {
                bsp_LedToggle(4);
                bsp_DelayMS(100);
                Serial_sendDataMATLAB();
            }
        }
        
        /* 按键滤波和检测由后台systick中断服务程序实现，我们只需要调用bsp_GetKey读取键值即可。 */
        ucKeyCode = bsp_GetKey();    /* 读取键值, 无键按下时返回 KEY_NONE = 0 */
        if (ucKeyCode != KEY_NONE)
        {
            switch (ucKeyCode)
            {
                case KEY_DOWN_K1:            /* K1键按下 */
                    printf("K1键按下\r\n");
                    break;

                case KEY_UP_K1:            /* K1键弹起 */
                    break;

                case KEY_DOWN_K2:            /* K2键按下 */
                    printf("K2键按下\r\n");
                    break;

                case KEY_UP_K2:            /* K2键弹起 */
                    printf("K2键弹起\r\n");
                    break;

                case KEY_DOWN_K3:            /* K3键按下 */
                    printf("K3键按下\r\n");
                    break;

                case KEY_UP_K3:            /* K3键弹起 */
                    printf("K3键弹起\r\n");
                    break;
                
                default:
                    /* 其它的键值不处理 */
                    break;
            }
        
        }
    }
}

/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: Serial_sendDataMATLAB
*    功能说明: 发送串口数据给matlab
*    形    参: 无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void Serial_sendDataMATLAB(void)
{
    /* 先发同步信号'$' */
    comSendChar(COM1, 13);
    
    /* 发送数据，一共10个字节 */
    g_SendData.data1 = rand()%65536;
    g_SendData.data2 = rand()%65536;
    g_SendData.data3 = rand()%65536;
    g_SendData.data4 = rand()%256;  
    g_SendData.data5 = rand()%256;  
    g_SendData.data6 = rand()%256;  
    g_SendData.data7 = rand()%256;  
    comSendBuf(COM1, (uint8_t *)&g_SendData, 10);
}

9.8   总结

本章讲解的例程非常实用，需要大家熟练掌握。