AVR单片机和Matlab串口通信的计时器系统

引言

　　本文设计了一种基于AVR单片机和Matlab串口通信的计时器系统，本计时器系统可以满足体育竞赛中精确计时的要求。在该设计中，主要以Atmel公司ATmega16单片机作为信号采集系统，通过串口和上位机的Matlab通信，自定义了一项通信协议，使上位机接收到不同的信号，可以实现对Matlab中计时器的控制。[1]利用Matlab软件提供的GUI设计出一套友好的人机界面。[2]本系统中，可以有多个单片机作为下位机，通过串口连接ZigBee无线传输模块，与上位机进行通信。无线传输模块的接入可以实现远程多点信号采集，使系统更加灵活，可扩展性大大增强。

1 系统总体设计

　　本系统包括多个以ATmega16单片机为主控制器的信号采集系统和一个上位机Matlab软件编写的计时器程序。多个下位机和上位机之间通过串口接ZigBee无线通信模块，实现数据传输功能。ATmega16捕捉到的对射型光电开关信号传输给上位机Matlab，控制计时器的开始、中断和结束功能。系统的整体框图如图1所示。

图1 系统的整体框图

2 信号采集系统的设计

　　信号采集系统主要由对射型光电开关、信号电平转换电路和单片机组成。

　　对射型光电开关由发射器和接收器组成，结构上是相互分离的，在光束被中断的情况下会产生一个开关信号变化。本文使用的对射型光电开关的特征是：能辨别不透明的反光物体；有效距离大，检测距离可达10 m；不易受干扰，可以可靠地在野外或者有灰尘的环境中使用。

　　光电开关信号的高电平输出+12 V数字信号，而ATmega16 I/O口电平为TTL电平，电压范围为0~+5 V，因此，在光电开关和单片机之间必须设计一个电平转换电路。本设计考虑使用光电耦合器件TLP521-2，它提供了两个孤立的光耦8引脚塑料封装，不仅能够实现+12～+5 V电压的转换，还能隔离两端信号，提高电路的稳定性。信号电平转换电路示意图如图2所示。

图2 信号电平转换电路示意图

　　ATmega16单片机的外部中断通过引脚INT0、INT1触发。只要使能了中断，即使引脚INT0、INT1配置为输出，当电平发生了合适的变化，中断也会触发。通过设置ATmega16控制寄存器MCUCR和控制与状态寄存器MCUCSR，中断可以由下降沿、上升沿或者是低电平触发。[3]本文使用E3FDS10C4的对射光电开关，输出方式为NPN常开型，当其光线被遮挡时，则信号输出由高电平跳变为低电平，即输入ATmega16外部中断引脚的中断信号为下降沿。本设计中，两路光电开关信号接ATmega16的外部中断INT0、INT1引脚，外部中断相关寄存器设置如下：

MCUCR=0x0A;//INT0、INT1下降沿触发中断

GICR=0xC0;//使能INT0、INT1

　　当光电开关出现下降沿时，则程序进入相应的外部中断处理程序，将外部中断标志位置位。单片机主程序流程图如图3所示。[page]

图3 单片机主程序流程图

3 下位机和上位机的串口通信

　　本系统下位机为单片机，信号电压是TTL电平0~+5 V，而上位机为PC机，串口电平是RS232电平-10~+10 V。为了实现串口通信，需要经过MAX232电平转换，才能匹配。考虑到应用的灵活性、方便性，以及多个下位机与一个上位机进行的通信，本设计在单片机和上位机之间接入ZigBee无线通信模块，使用的是SZ05-ZigBee无线通信模块。SZ05ZigBee无线通信模块接线图如图4所示。

图4 SZ05ZigBee无线通信模块接线图

　　该模块数据接口包括TTL电平接收发送接口、RS232发送接收接口，还可以按照广播方式发送数据和按照目标地址发送数据，除可实现一般的点对点数据通信功能外，还可实现多点之间的数据通信。串口通信使用方法简单、便利，可以大大缩短模块的嵌入匹配时间进程。它具有通信距离远、抗干扰能力强、组网灵活、性能可靠稳定等优点。[4]

　　将SZ05ZigBee无线通信模块CONFIG跳线短接,系统进入配置状态。打开计算机的超级终端，超级终端的设置为：波特率38 400、数据位8、校验NONE、停止位1、流控无。主要参数配置如下：网络类型网——星型网；发送模式——主从模式；数据类型——HEX；数据位——8+0+1；波特率——38 400；单片机端连接的设备类型——终端设备（DEVICE跳线短接）；上位机端连接的设备类型——中心节点(CENTER端口与地短接)。每个终端设备需设置自己不同的MAC_ADDR设备地址，范围为0000~0xFFFE。主从模式下，终端设备发送数据无需目标地址，数据默认给中心节点，而中心节点发送数据则必须加上终端设备的目标地址。

　　无线通信模块在测试上电时，会自动发送一串随机数据。为了防止干扰，自定义了一项通信协议，定义3字节数据为一帧，数据包格式为0xAABB××，在检测到数据头AA BB时，才接收数据，保证接收到数据的准确性。

4 基于Matlab GUI的串口通信和计时器的实现

4.1 Matlab对串口RS232的编程

　　从Matlab6.0版本开始，软件中增加了设备控制箱功能，提供了对RS232/RS485通信标准的串口通信的正式支持。利用该工具箱的串口类及fopen、fread等函数，能可靠地进行实时串行通信。[5]

　　从建立串口通信到结束串口通信的完整流程包括以下几个步骤[6]：

① 为应用程序创建串口对象。实现该功能的函数为obj=serial(“port”,“PropertyName”, PropertyValue,…)。其中，参数port为完整的串口名称，如COMl；PropertyName为串口通信参数，如baudrate、startbits等。

② 连接打开串口。其函数为fopen(obj)。

③ 设置或者修改串口通信参数。在能够有效地进行串口通信前，必须设置正确的串口通信参数。实现该功能的函数为props=set(obj,“PropertyName”，PropertyValue,…)。

④ 关闭串口以及释放串口对象占用的存储空间。关闭串口函数为：fclose(obj)。释放串口对象占用的内存空间，函数为delete(obj)。释放串口对象在Matlab工作区中占用的存储空间函数为clear obj。

　　要实现自动收发数据，还需要定义串口中断处理函数以及触发串口中断的方式如下：

① 触发串口中断的方式。涉及到串口读写的事件包括：Bytes available、Output empty。其中，Bytes available事件有两种：一种是接收到的字符数达到人工设定的数目时，系统产生该事件；另一种是当接收到指定字符时，系统产生该事件。本文采用前一种，当接收字节数达到3时，触发中断。[page]

Bytes available事件需要事先设置。可以使用函数set(obj，“By tesAvailableFcnMode”，“byte”)和set(obj，“BytesAvailableFcnCount”，3)。以上两个函数设置为当串口检测到输入缓存中达到了3个字符的数据时，则触发串口中断。

② 串口中断处理函数。串口中断处理函数可以根据用户需要自行定义。如串口读中断处理函数可以这样定义：obj．BytesAvailableFcn=@receiveData。receiveData即为串口读中断处理函数。在读中断处理函数中可以进行串口读操作，即将输入缓存区中的数据读到用户自定义的存储变量中，以备后续的数据处理与分析。[7]

4.2 Matlab基于GUI界面的计时器实现

　　利用Matlab的GUI设计出整体的控制界面，界面功能包括：可以设置串口参数如端口号、波特率、数据位、校验位和停止位；计时器显示窗口，能实时显示计时器的时间；还具有实现打开串口、开始计时、停止、重置等功能的按钮。设计的GUI控制界面如图5所示。

图5 GUI控制界面

　　单片机发过来的信号，触发Matlab上的串口中断，标志FLAGA/FLAGB置位，进而可以使计时器停止计时。同时，在GUI界面上，也可以通过手动按键使标志FLAGA/FLAGB置位，停止计时。计时部分的程序流程图如图6所示。

图6 计时部分的程序流程图

　　Matlab文件编译完毕后，生成的可执行程序还需要Matlab环境的支持。为了使本设计更广泛地应用到一般用户，需要发布到没有安装Matlab的机器上运行，还要进行最后一项工作，即打包Matlab组件运行环境(Matlab Component Runtime，MCR)。将MCR与可执行程序一起打包，拷贝到其他没有安装Matlab的机器上，在该机器上安装MCR，安装完毕即可直接在该机器上运行编译的Matlab可执行程序。[8]

5 系统设计及应用中需注意的问题

实际测试时，光电开关在环境照度较高时，一般都能稳定工作。但应回避将传感器光轴正对太阳光、白炽灯等强光源。在不能改变传感器（受光器）光轴与强光源的角度时，可在传感器上方四周加装遮光板或套上遮光长筒，以确保光电开关可靠工作。

　　另外，在ZigBee无线通信模块配置时，应注意选择合适的通信信道，以避免WiFi的干扰。在同一个网络中，无论是终端设备还是中心节点，ID设置必须相同，模块间才能正常通信。同一个网络中，所有模块的串口超时时间设置必须相同，否则串口通信不能同步，通信也会失败。

结语

　　在本设计中，主要以ATmega16单片机作为信号采集系统，通过串口和上位机的Matlab进行信号通信，通信采用ZigBee无线通信模块实现，使系统灵活性、可扩展性大大增强。本文利用Matlab GUI进行了包含一般界面元素的界面开发，在此基础上，加入串口通信功能和计时器计时功能。GUI设计出的人机友好界面，使得系统简单易懂，操作起来更加方便。