1 前言

　　溫度是表征環(huán)境的一個(gè)重要的參數(shù),。在工程領(lǐng)域，尤其像工程熱力學(xué)等,，溫度檢測(cè)非常普遍,，對(duì)溫度精確測(cè)量以便實(shí)時(shí)控制也顯得尤為重要。

　　在控制系統(tǒng)中,，上位機(jī)與下位機(jī)之間實(shí)現(xiàn)通信的方法和應(yīng)用平臺(tái)很多,。目前，以VB和VC開(kāi)發(fā)的通信軟件較多,，然而,，這類軟件雖然功能完善，但是數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)后要進(jìn)行各種處理（例如濾波,，系統(tǒng)辨識(shí),，曲線擬合等）就顯得不方便，編程比較復(fù)雜,。Matlab具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力及功能豐富的工具箱,，被廣泛的應(yīng)用于信號(hào)處理、自動(dòng)控制等領(lǐng)域[1],。它編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單易學(xué),，利用簡(jiǎn)單的命令就可以代替復(fù)雜的代碼，極大地提高了開(kāi)發(fā)效率,。

　　本實(shí)驗(yàn)基于Matlab環(huán)境下設(shè)計(jì)了一個(gè)小型溫度檢測(cè)系統(tǒng),，下位機(jī)使用AT89S51單片機(jī)和DS18B20完成溫度數(shù)據(jù)采集，上位機(jī)在Matlab環(huán)境下,，調(diào)用設(shè)備控制箱serial類操作ＲＳ－232串口,，用串行通信方式交換數(shù)據(jù)，進(jìn)而借助Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得到了溫度隨時(shí)間變化的函數(shù)解析式,，同時(shí)介紹了基于Matlab環(huán)境下PC機(jī)與單片機(jī)串行通信的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的實(shí)現(xiàn)方法,。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　
圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　溫度檢測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。PC機(jī)串口與單片機(jī)USART口通過(guò)MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片相連,，構(gòu)成一個(gè)主從式通信系統(tǒng),。系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)對(duì)串口和DS18B20初始化,，在讀取溫度的同時(shí)等待中斷,。PC機(jī)通過(guò)調(diào)用Matlab設(shè)備控制工具箱中的serial類及相關(guān)函數(shù)來(lái)創(chuàng)建串口設(shè)備對(duì)象，并以讀寫(xiě)文件的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)PC機(jī)串行口的訪問(wèn),，PC機(jī)通過(guò)Matlab向串行口發(fā)送特殊指令從而觸發(fā)單片機(jī)中斷系統(tǒng),，單片機(jī)調(diào)用中斷服務(wù)例程，讀取即使溫度并將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串行口回送給PC機(jī),。此時(shí),，Matlab通過(guò)查詢的方式，實(shí)時(shí)接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù),，并完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理及圖形顯示,。                   

　　3 下位機(jī)部分

　　下位機(jī)部分由AT89S51單片機(jī)和DS18B20溫度傳感器構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集工作,，并通過(guò)串行通信實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理,，PC機(jī)與MUC串口通信技術(shù)相對(duì)而言已經(jīng)比較成熟。

　　3.1串行通信協(xié)議

　　串口通信協(xié)議SPCP（Serial Port Communication Protocol）設(shè)計(jì)思想是基于幀傳輸方式,在本實(shí)驗(yàn)中,設(shè)定字符格式為1個(gè)起始位,，8個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位,，無(wú)奇偶校驗(yàn)，中間8位即為有效數(shù)據(jù),，波特率設(shè)置為9600,，為保證數(shù)據(jù)可靠傳輸,在傳送數(shù)據(jù)前通過(guò)握手建立連接,軟件握手協(xié)議規(guī)定如下：

　　上位機(jī)發(fā)送握手信號(hào)0xff給下位機(jī)，下位機(jī)如果接受到上位機(jī)的信號(hào)為握手信號(hào),，則回送數(shù)據(jù)包給上位機(jī),，其中第一個(gè)數(shù)據(jù)為握手信號(hào)，以二個(gè)數(shù)據(jù)為溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù),，此時(shí),，上位機(jī)如果接受到的第一個(gè)數(shù)據(jù)不是握手信號(hào)，則丟棄該數(shù)據(jù)包,，若是,，則表示握手成功，直接存儲(chǔ)第二個(gè)數(shù)據(jù),。

　　3.2溫度數(shù)據(jù)采集（DS18B20）

　　本系統(tǒng)中采用DALLAS生產(chǎn)的“一線總線”可編程數(shù)字化溫度傳感器DS18B20,，與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊,，在使用中不需要任何外圍元件，設(shè)計(jì)可用數(shù)據(jù)線供電,，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件,，同時(shí)支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上,，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫,，使用起來(lái)非常方便。盡管如此,，DS18B20是以犧牲軟件資源換取硬件資源的,，由于采用單總線數(shù)據(jù)出數(shù)方式,，DS18B20的數(shù)據(jù)I/O均由同一根線完成,，因此，對(duì)讀寫(xiě)的操作時(shí)序要求非常嚴(yán)格,。

　　根據(jù)DTASHEET,，對(duì)DS18B20的編程主要注意以下幾個(gè)方面：

　　1，精確延時(shí)問(wèn)題[2]：為了保證DS18B20的嚴(yán)格時(shí)序,，可以將延時(shí)分為2種：10us以下的短延時(shí)和10us以上的長(zhǎng)延時(shí),。短延時(shí)可以使用C51提供的內(nèi)部函數(shù)_nop_()來(lái)實(shí)現(xiàn)，一個(gè)nop()函數(shù)相當(dāng)于一條DJNZ匯編指令,，約2us,；長(zhǎng)延時(shí)主要有15us，90us,，270us,，540us等，這些延時(shí)均為15us的整數(shù)倍,，一次可以使用nop()函數(shù)編寫(xiě)一個(gè)延時(shí)15us的函數(shù)delay15（n）,。

　　2，基本操作：DS18B20的一線工作協(xié)議流程是：初始化→ROM操作指令→存儲(chǔ)器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸,。對(duì)DS18B20 進(jìn)行所有的讀寫(xiě)操作都是從初始化開(kāi)始的,，主要分為初始化操作，讀操作和寫(xiě)操作,。

　　基于以上分析,，對(duì)DS18B20的編程源碼如下：

　　Init_DS18B20(void)  //初始化函數(shù)

　　{DQ = 1;    //DQ復(fù)位

　　 Delay15(1);   //稍做延時(shí)

　　 DQ = 0;    //單片機(jī)將DQ拉低

　　 Delay15(32);  //精確延時(shí) 大于 480us

　　 DQ = 1;    //拉高總線

　　 Delay15(6); //延時(shí)90us

　　 x=DQ;      //讀存在脈沖

　　 delay15(20); //延時(shí)約270us

　　} 

　　Write_DS18B20(unsigned char dat)//寫(xiě)一個(gè)字節(jié)

　　{

　　 unsigned char i="0";//定義循環(huán)變量

　　 for (i=0; i<8; i++)

　　 {

　　  DQ = 0; //復(fù)位

　　  DQ = dat&0x01;//取數(shù)據(jù)的第i位并送出

　　Delay15(1);//延時(shí)

　　DQ = 1; //停止

　　  dat>>=1;//右移

　　 }

　　}

　　Read_DS18B20(void)//讀一個(gè)字節(jié)

　　{

　　unsigned char i="0";

　　unsigned char dat = 0;

　　for (i=8;i>0;i--)

　　 {

　　  DQ = 0; // 復(fù)位

　　  dat>>=1;

　　  DQ = 1; // 給脈沖信號(hào)

　　  if(DQ)

　　   dat|=0x80;//取位脈沖并存入dat

　　  delay15(1);//延時(shí)

　　 }

　　 return(dat);

　　}

　　4 上位機(jī)部分（PC）

　　上位機(jī)通過(guò)串口向下位機(jī)發(fā)送命令實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的控制，并實(shí)時(shí)地接受下位機(jī)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),，對(duì)其分析處理,，將結(jié)果用圖形顯示并存儲(chǔ)，完成人機(jī)交互過(guò)程,。

　　Matlab并不具備直接訪問(wèn)硬件的能力,，但是支持面向?qū)ο蠹夹g(shù),，通過(guò)調(diào)用Instrument Control Toolbox中的serial類函數(shù)來(lái)創(chuàng)建串口對(duì)象，對(duì)串口對(duì)象操作就是對(duì)串口操作,，使用起非常方便,。同時(shí)，Matlab封裝的串口對(duì)象支持對(duì)串口的異步讀寫(xiě)操作,，使得計(jì)算機(jī)在讀寫(xiě)串口時(shí)能同時(shí)進(jìn)行其他處理工作,，因而能大大提高計(jì)算機(jī)執(zhí)行效率。Matlab用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)這種異步操作,，通過(guò)異步讀寫(xiě)設(shè)置,，計(jì)算機(jī)在執(zhí)行讀寫(xiě)串口函數(shù)時(shí)能立即返回不必等待串口把數(shù)據(jù)傳輸完畢， 當(dāng)指定的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)就觸發(fā)事件,，執(zhí)行事件回調(diào)函數(shù),，可以在事件回調(diào)函數(shù)中編程，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,，這樣就不會(huì)造成因等待串口傳輸數(shù)據(jù)引起的時(shí)間浪費(fèi),。

　　4.1 Matlab下串口編程

　　MATLAB的Instrument Control Toolbox提供了 MATLAB與儀器儀表通信的功能 ,它支持 GPIB 通用接口總線 、VISA,、TCP/ IP,、UDP、RS2232等多個(gè)協(xié)議 ,具有同步和異步讀寫(xiě)功能以及事件處理和回調(diào)操作功能,可讀寫(xiě)和記錄二進(jìn)制和ASCII文本數(shù)據(jù),。與串口有關(guān)的主要函數(shù)如下[3]：

　?。?）建立串口對(duì)象函數(shù)：obj=seril（’port’,’property name’,propertyvalue……），其中主要的屬性有：baudrate（波特率）,，databits（數(shù)據(jù)位）,，parity（校驗(yàn)方式），stopbits（終止位）等,，可以在初始化時(shí)進(jìn)行賦值或者使用set函數(shù),。

　　（2）打開(kāi)串口設(shè)備對(duì)象：fopen（obj）

　?。?） 串口讀寫(xiě)操作：當(dāng)matlab通信數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制格式時(shí),，讀寫(xiě)串口設(shè)備的命令為fread()和fwrite()；當(dāng)通行數(shù)據(jù)采用文本（ASCII）格式時(shí),，讀寫(xiě)串口設(shè)備的命令為fscanf（）和fprintf（）,。

　　（4）關(guān)閉并清除設(shè)備對(duì)象：

　　Fclose（obj）,；%關(guān)閉串口設(shè)備對(duì)象

　　Delete（obj）,；%刪除內(nèi)存中的串口設(shè)備對(duì)象

　　基于本系統(tǒng)串口通信協(xié)議，對(duì)串口對(duì)象的讀寫(xiě)部分程序如下：

　　Obj=serial（’com1’,，’baudrate’,9600,’parity’,’none’,’databits’,8,’stopbits’,1）,；%初始化串口

　　Fopen（obj）,；%打開(kāi)串口對(duì)象

　　Fwrite（obj，256）,；%向串口發(fā)送握手信號(hào)0xff

　　TMP=fread（obj,，3，’unit8’）,；%從串口讀取3字節(jié)數(shù)據(jù),，后2個(gè)即是16bit溫度數(shù)據(jù)

　　If TMP（1）= =256   %判斷第一個(gè)字節(jié)受否是握手信號(hào)

　　  For i = 1：3

　　Dat（i）=TMP（i+1）；%剔除第一個(gè)握手信號(hào)字節(jié)

　　End

　　End

　　Fclose（obj）,；%關(guān)閉串口設(shè)備對(duì)象

　　Delete（obj）,；%刪除內(nèi)存中的串口設(shè)備對(duì)象

　　4.2 Matlab數(shù)據(jù)分析

　　單片機(jī)一般能處理簡(jiǎn)單的8位無(wú)符號(hào)數(shù)的四則運(yùn)算，而DS18B20可以程序設(shè)定9~12位的分辨率,，精度可達(dá)±0.5℃,，溫度以16bit帶符號(hào)位擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式讀出，如果使用單片機(jī)進(jìn)行快速的實(shí)時(shí)處理則比較費(fèi)力,，同時(shí)單片機(jī)還要與DS18B20及上位機(jī)通信,，系統(tǒng)資源也比較緊張,。因而可以將讀取的16bit溫度數(shù)據(jù)直接送往PC機(jī),，由上位機(jī)來(lái)完成。Matlab強(qiáng)大的計(jì)算能力和繪圖功能給數(shù)據(jù)分析帶來(lái)了極大的方便,，這不僅可以合理利用系統(tǒng)資源,，也使得系統(tǒng)的通信過(guò)程更流暢。

　　圖2所示的是用DS18B20測(cè)得的連續(xù)10個(gè)溫度數(shù)據(jù)的變化曲線圖,。使用max（）和min（）函數(shù)可以求出溫度的極大極小值,，調(diào)用polyfit（）函數(shù)還可以進(jìn)行最小二乘回歸分析與曲線擬合，進(jìn)而求出溫度變化的解析式,，本實(shí)驗(yàn)中使用二階擬合后,，得到的溫度隨時(shí)間變化的函數(shù)解析式為：F（T）= 0.0125*T2 - 0.0145T+27.3083.

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　Matlab是一款在控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的軟件，本實(shí)驗(yàn)基于Matlab環(huán)境下PC機(jī)與單片機(jī)實(shí)時(shí)通信及數(shù)據(jù)處理的方法,，設(shè)計(jì)了一個(gè)小型溫度檢測(cè)系統(tǒng),，串口通信使用Matlab編程，極大的提高了開(kāi)發(fā)效率,，充分利用了Matlab的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力,，得到了溫度隨時(shí)間變化的函數(shù)解析式，取得了較好的效果,，擴(kuò)展了Matlab的使用范圍,，具有一定實(shí)用性。

　　本文作者創(chuàng)新觀點(diǎn)：使用DS18B20傳感器簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu),，采用Matlab編程,，充分利用其數(shù)據(jù)分析能力,，合理利用系統(tǒng)資源，提高了開(kāi)發(fā)效率,，擴(kuò)展了Matlab的使用范圍,。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 趙云鵬．MATLAB串口通信在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用.[J]微計(jì)算機(jī)信息.2006,22(1):111~112

　　[2] 顧振宇．劉魯源,杜振輝.DS18B20接口的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)．[J] 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用.2005 .12(6):22~24

　　[3] 向先波,徐國(guó)華. Matlab環(huán)境下PC機(jī)與單片機(jī)的串行通信及數(shù)據(jù)處理.[J] 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用.2004 .12:27~31

　　[4] 李群芳, 張士軍,黃建. 單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)(第二版). [M].電子工業(yè)出版社.2005