医学数字信号处理实验教程-基于MATLAB - 讲义 - 第4章 - 串口助手小工具设计实验

1第4章：串口助手小工具设计实验卓越工程师培养系列2目录《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义1.实验内容2.实验原理3.实验步骤4.本章任务5.本章习题31.实验内容

学习串口通信协议，以及MATLAB中的部分控件和串口相关函数，如serial、fopen、fclose、fread和fwrite等。然后，设计一个具有以下功能的串口助手小工具：（1）可以选择计算机上可用的串口号；（2）可以选择波特率、校验位、数据位和停止位；（3）可以将串口接收到的数据显示到串口“接收区”，并允许用户使用“清除接收区”按钮清除串口“接收区”中的内容；（4）可以通过“发送”按钮将串口“发送区”发送到其他设备，并允许用户使用“清除发送区”按钮清除串口“发送区”中的内容；（5）允许用户设置发送间隔，实现定时发送功能。《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-套讲义《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义42.实验原理2.1串口通信协议2.2串口对象的属性2.3串口的基本操作2.4串口的常用函数2.5本章使用到的控件《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-套讲义《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义52.1串口通信协议《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

（1）串口物理层

串口是异步串行全双工通信，因此串口通信没有时钟线，只需两根数据线就可以实现双向同时传输。收发数据一位一位地在各自数据线上传输，所以串口最多只有一根发送数据线和一根接收数据线。数据线是高低逻辑电平传输，因此还必须有参照的地线，最简单的串口接口由发送数据线TXD、接收数据线RXD和GND共3根线组成。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义62.1串口通信协议《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

（2）串口数据格式

串口数据按照一定的格式打包成帧，微控制器或计算机在物理层上以帧为单位进行传输。串口的一帧数据由起始位、数据位、校验位、停止位和空闲位组成，如图4‑2所示。需要说明的是，一个完整的串口数据帧必须有起始位、数据位和停止位，但是不一定有校验位和空闲位。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义72.1串口通信协议《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

（3）串口传输速率

串口传输速率用比特率来表示。比特率是每秒传输的二进制位数，单位为bps（bitpersecond）。波特率，即每秒传送码元的个数，单位为baud。由于串口使用NRZ（Non-ReturntoZero，不归零）编码，因此串口的波特率和比特率是相同的。在实际应用中，常用的串口传输速率有1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600和115200。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义82.2串口对象的属性《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

串口对象有很多属性，可以使用命令“instrhelpserial”查看串口对象的相关函数和属性。书中按照通信相关属性、读写操作属性、回调函数相关属性对串口对象的常用属性进行介绍。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义92.3串口的基本操作《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

串口的基本操作分为4个步骤，分别是创建串口、连接串口、读写串口、关闭串口。

（1）创建串口

使用serial函数创建串口对象；

通过串口对象obj设置串口的属性；

同时设置串口对象的多个属性；

在创建串口对象的同时，设置其属性；《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义102.3串口的基本操作《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

（2）连接串口

串口读写数据前，必须使用fopen函数打开串口，也就是将创建的串口对象连接到物理端口。

当串口对象连接到物理端口时：（1）输入缓冲区和输出缓冲区清空；（2）Status属性值为open；（3）BytesAvailable、VaulesReceived、ValuesSent和BytesToOutput属性值为0.

另外，有些串口属性在串口对象连接到物理端口之后，就变为只读，如InputBufferSize和OutputBufferSize等，所以必须要在使用fopen函数连接之前完成这些属性的配置。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义112.3串口的基本操作《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

（3）读写串口

读写串口函数很多，本书主要使用fwrite函数写数据到其他串口设备，使用fread函数从其他串口设备读取数据。

比如，通过串口对象obj连接的物理串口向其他串口设备发送数据（sendData）：

从串口对象obj连接的物理串口读取n个数据，并将读取的数据赋值给readData：《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义122.3串口的基本操作《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

（4）关闭串口

当不再使用串口时，使用fclose函数断开串口对象与物理端口的连接。

可以通过obj.Status查看是否断开连接，open为连接状态，closed为断开状态。断开连接之后，建议再使用delete函数将串口对象从内存中删除。

可以通过isvalid函数查看串口对象是否已删除，返回值为0表示已经删除。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义132.3串口的基本操作《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

（4）关闭串口

如果希望更完美一些，还可以通过clear函数从MATLAB工作空间清除串口对象

注意，当不再使用串口时，通过fclose函数断开连接是必须的，如果不断开连接，下次再创建串口对象建立连接时，有可能会出现无法连接的现象。而清除内存和MATLAB工作空间是非必需的。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义142.4串口的常用函数《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

串口相关的函数有很多，本书中使用的串口相关函数如表4‑4所示。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义152.5本章使用到的控件《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

串口助手工具主要使用到6种控件，除了触控按钮（PushButton）、可编辑文本（EditText）、静态文本（StaticText）和面板（Panel）之外，还使用到了复选框（CheckBox）和弹出式菜单（Pop-upMenu）。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义163.实验步骤3.1步骤1∶新建串口助手小工具工程文件夹3.2步骤2∶打开GUI界面3.3步骤3∶串口助手小工具GUI界面设计3.4步骤4∶串口助手小工具程序设计3.5步骤5∶安装虚拟串口软件3.6步骤6∶验证串口助手小工具《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-套讲义《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义174.本章任务

按照本章的实验步骤完成串口助手小工具的设计之后，继续增加以下功能：（1）在串口助手小工具的左下方增加两个静态文本，用于动态指示串口接收字节数和发送字节数；（2）单击“清除接收区”之后，接收字节数清零；（3）单击“清除发送区”之后，发送字节数清零。《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义185.本章习题

1.两个串口设备在进行互相通信时，除了将设备A的发送数据线TXD和设备B的接收数据线RXD相连接，将设备A的接收数据线RXD与设备B的发送数据线TXD相连接之外，是否还需要其他连接？ 2.串口的传输速率用什么表示？传输速率的单位是什么？ 3.如果串口的数据位为8位，校验为奇校验，停止位为1位，波特率为9600，计算每2ms最多可以发送多少字节数据？ 4.串口配置为奇校验时，如果传输的二进制数据为“10011000”，校验位应该是什么？ 5.在属性检查器中，弹出式菜单控件的String属性和Value属性分别代表什么？ 6.使用serial函数创建一个端口号为COM1的串口对象，即“obj=serial('COM1');”，如何将该串口对象的波特率属性设置为9600？ 7.假如串口对象为obj，如何通过函数打开串口？如何通过函数关闭串