毕业设计基于MATLAB的伺服系统在线监控平台设计.docx
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毕业设计基于MATLAB的伺服系统在线监控平台设计
1总体介绍
基于MATLAB的在线监控平台是指通过MATLAB软件和USB转CAN总线实现单片机上的数据接收和发送，从而实现伺服系统速度、电流的采集及波形显示；实现对速度的控制。
下文将先介绍MATLAB/GUI界面和USB-CAN总线串口通信技术，然后分析基于MATLAB的GUI设计方法，最后设计一个GUI界面。
随着计算机技术的发展，计算机在信号处理中的应用越来越广泛，并且变得越来越重要，它能使得各种复杂的处理算法得以实现。
但是数据采集到计算机后要进行各种处理，使用VC、VB等编程语言就显得不方便。
由于MATLAB提供功能强大的各种计算，只要几个语句就能实现诸如各种方法的滤波、系统辨识、小波变换等，因此采用MATLAB软件非常适合。
Matlab不仅具有强大的科学计算功能，还具有满足一般要求的数据采集以及，界面设计开发功能。
MatlabGUI（GraphicUserInterface）就是内置于Matlab的进行图形界面开发的模块。
本文利用MatlabGUI设计通过串口进行数据发送和接收的界面，基于Matlab的串口通信通过USB-CAN总线实现串口数据发送与接收功能。
2MATLAB及相关技术
2.1MATLAB的发展现状
MATLAB产品系列被广泛地应用于包括信号与图像处理、控制系统设计、通讯、系统仿真等诸多领域，是集数学计算结果可视化和编程于一体,能够方便地进行科学计算和大量工程运算的数学软件。
它的一大特性就是数据采集，报告生成，和依靠MATLAB语言编程产生独立C／C++代码等等。
其在信号处理中的应用显得越来越重要，使得各种复杂的处理算法得以实现。
MATLAB提供了众多外部函数接口,本文从中选择MEX文件接口作为MATLAB对外界进行读写通道,首先USBCAN接口卡进行设计,接下来以这个接口卡为通道,实现了MATLAB对于硬件的访问。
2.2图形用户界面（GUI）
GUI是由各种图形对象组成的用户界面，在这种用户界面下，用户的命令和对程序的控制是通过“选择”各种图形对象来实现的。
MATLAB中的图形用户界面设计向导包括以下6个工具：
1.布局编辑器（LayoutEdtor）——在图形窗口中创建及布置图形对象。
布局编辑器是可以启动用户界面的控制面板，上述工具都必须从布局编辑器中访问，用guide命令可以启动，或在启动平台窗口中选择GUIDE来启动布局编辑器
2.几何排列工具（AlignmentTool）——调整各对象相互之间的几何关系和位置；
3.对象浏览器（ObjectBrowser）——用于获得当前MATLAB图形用户界面程序中的全部对象信息，对象的类型，同时显示控件的名称和标识，在控件上双击鼠标可以打开该控件的属性编辑器；
4.属性查看器（PropertyInspector）——查询并设置属性值;
5.菜单编辑器（MenuEditor）——创建、设计、修改下拉式菜单和快捷菜单；
6.Tab顺序编辑器（TabOrderEditor）——用于设置当用户按下键盘上的Tab键时，对象被选中的先后顺序。
2.3GUI控件对象类型及描述
控件对象是事件响应的图形界面对象。
当某一事件发生时，应用程序会做出响应并执行某些预定的功能子程序（Callback）。
控件对象及其功能：
1.按钮（PushButtons）：
执行某种预定的功能或操作；
2.开关按钮（ToggleButton）：
产生一个动作并指示一个二进制状态（开或关），当鼠点击它时按钮将下陷，并执行callback（回调函数）中指定的内容，再次点击，按钮复原，并再次执行callback中的内容；
3.单选框（RadioButton）：
单个的单选框用来在两种状态之间切换，多个单选框组成一个单选框组时，用户只能在一组状态中选择单一的状态，或称为单选项；
4.复选框（CheckBoxes）：
单个的复选框用来在两种状态之间切换，多个复选框组成一个复选框组时，可使用户在一组状态中作组合式的选择，或称为多选项；
5.文本编辑器（EditableTexts）：
用来使用键盘输入字符串的值，可以对编辑框中的内容进行编辑、删除和替换等操作；
6.静态文本框（StaticTexts）：
仅仅用于显示单行的说明文字；
7.滚动条（Slider）：
可输入指定范围的数量值；
8.边框（Frames）：
在图形窗口圈出一块区域；
9.列表框（ListBoxes）：
在其中定义一系列可供选择的字符串；
10.弹出式菜单（PopupMenus）：
让用户从一列菜单项中选择一项作为参数输入；
此外还有坐标轴（Axes）用于显示图形和图像。
MATLAB中的控件大致可分为两种，一种为动作控件，鼠标点击这些控件时会产生相应的响应。
一种为静态控件，是一种不产生响应的控件，如文本框等。
每种控件都有一些可以设置的参数，用于表现控件的外形、功能及效果，既属性。
属性由两部分组成：
属性名和属性值，它们必须是成对出现的。
2.4控件对象的属性
控件对象属性：
第一类是所有控件对象都具有的公共属性，第二类是控件对象作为图形对象所具有的属性。
1.控件对象的公共属性
Parent取值为某个图形窗口对象的句柄，该句柄表明了控件对象所在的图形窗口；
Children取值为空矩阵，因为控件对象没有自己的子对象；
Tag取值为字符串，定义了控件的标识值，在任何程序中都可以通过这个标识值控制该控件对象；
UserDate取值为空矩阵，用于保存与该控件对象相关的重要数据和信息；
Visible取值为no或off。
2.控件对象的基本控制属性
BackgroundColor取值为颜色的预定义字符或RGB数值；
ForegroundColor取值为颜色的预定义字符或RGB数值；
Enable取值为on（缺省值）,inactive和off；
Extend取值为四元素矢量[0，0width,height],记录控件对象标题字符的位置和尺寸；
String取值为字符串矩阵或数组，定义控件对象标题或选项内容；
Max,Min取值都为数值；
Callback取值为字符串,可以是某个M文件名或一小段MATLAB语句，当用户激活某个控件对象时，应用程序就运行该属性定义的子程序；
Style取值可以是pushbutton,radiobutton,checkbox,edit,text,slider,frame,popupmenu或listbox；
Value取值可以是矢量，也可以是数值，其含义及解释依赖于控件对象的类型。
3.Callback管理属性
BusyAction取值为cancel或queue；
ButtDownFun取值为字符串，一般为某个M文件名或一小段MATLAB程序；
Creatfun取值为字符串，一般为某个M文件名或一小段MATLAB程序；
DeletFun取值为字符串，一般为某个M文件名或一小段MATLAB程序；
HandleVisibility取值为on,callback或off；
Interruptible取值为on或off。
此外还有控件对象的修饰控制属性和控件对象的辅助属性。
3MATLAB串口通信技术
3.1MATLAB外部函数接口简介
MATLAB具有良好的扩展性以及强大的数据分析能力和处理能力，且拥有一套完整的、功能齐全的编程环境,。
但在某些情况下,与外部环境的数据和程序进行实时交换是非常重要的。
但MATLAB只支持串口和很少一部分硬件,不能实现对数据的实时采集,它所处理的数据必须是现成的。
因此它不能很好地用于需要在现场对数据进行分析和处理。
MATLAB本身是一个跨平台的软件,并不具备直接访问硬件的能力。
即使安装了驱动程序并能正常工作的硬件设备,MATLAB也没有统一的形式对其进行访问。
所以对于USBCAN接口卡的设计完成后,需要选择一种MATLAB的外部接口函数,以便于MATLAB通过USBCAN接口卡对于CAN总线上的数据进行接收和发送。
通过定义串口对象的属性，就能定义串口的通信模式，从串口对象属性也能了解串口的状态。
表1串口对象属性
串口属性 含义
BaudRate定义传输波特率
DataBits定义每帧数据的比特位数
Parity定义奇偶校验类型
StopBits定义用于表示帧结束的比特位数
Terminator定义结束字符
ReadAsyncMode定义异步读操作为连续方式还是手工方式
BreakInterruptFcn定义中断事件的回调函数
PinStatusFcn定义当串口的CD，CTSＣ，DSR或RI针状态变化时触发的回调函数
3.2USB-CAN总线
本课题设计的CAN-USB转接卡的功能是:
采集CAN总线上的数据,通过USB总线和上位控制站之间进行数据传输。
在通讯方面,一方面要满足CAN总线的协议标准,实现开放性,互操作性,在高速通信的情况下做到拥有较好的抗干扰性能;另一方面,转接卡兼容USB2.0总线,转接卡可以通过USB连接到PC机。
其主要设计参数如下:
数据传输速率:
波特率在5KBPS～1MPS范围内；USB总线标准:
满足USB2.0协议的标准支持CAN2.0B协议（兼容CAN2.0A协议）；运行环境:
WindowsXP
设计的具体实现是采用单片机通过控制USB控制芯片,与PC机进行通信,从PC机得到采集数据的指令和向PC机上传数据的指令。
同时,要从CAN网络读取数据分析,所以单片机通过不同的片选信号控制，两个CAN控制芯片,分别能够从两路CAN总线上采集数据,和将从PC机得到的数据通过两个CAN控制芯片分别发送出去。
4GUI设计方法
4.1GUI设计标准
一个优秀的界面基本上符合下面的标准：
1.易用性：
设计界面时力求简洁、直接、清晰的反映界面的功能和特征。
组件名称易懂，用词准确，与同一界面上的其他组件相区分，做到顾名思义。
2.规范性：
通常界面设计都按Windows界面的规范来设计，即包含“菜单条、工具栏、按钮、右键快键菜单”（GUI设计）的标准格式。
3.统一性：
统一性包括使用标准的组件，也指使用相同的信息表现方法，如在字体、标签风格、颜色、术语、显示错误信息等方面保持一直。
4.合理性：
界面大小合适布局简洁、有序、易于操作。
在MATLAB命令行中输入Guide，弹出如图1所示的GUI设计向导控制面板。
MATLAB为GUI设计准备了四种模板，分别为BlankGUI（Default）、GUIwithUicontrols（带控件对象的GUI模板）、GUIwithAxesandMenu（带坐标轴与菜单的GUI模板）与ModalQuestionDialog（带模式问话对话框的GUI模板）。
创建一个MATLAB用户图形界面的基本步骤为：
1.决定这个用户图形界面需要什么样的元素，每个元素需要什么样的函数。
在纸上手动粗略地画出组件的布局图。
2.调用MATLAB工具guide对图像中的控件进行布局。
图像窗口的大小，排列和其中的控件布局都可以利用它进行控制。
3.我们可以用MATLAB属性编辑器（propertyinspector）给每一个控件起一个名字（Tag），还可以设置每一个控件的其他特性，例如颜色，显示的文本等。
4.把图像保存到一个文件中。
当文件保存后，程序将会产生两个文件，文件名相同而扩展名相同。
fig文件包括你创建的用户图形界面，M文件包含加载这个图像的代码和每个GUI元素的主要响应。
5.编写代码，执行每一个与回调函数相关的行为。
4.2创建用户图形界面
选择默认模板，生成如图2所示的模板界面。
在设计界面左边的控件对象区选取所需对象，拖拽到右侧空白区要放置的地方创建该对象。
按照此方法，在空白界面下分别放置了俩个Pop-upMenu（列表框），九个StaticText（静态文本框），九个PushButton（命令按钮），六个EditText（文本编辑框）和四个Frames（边框），调整对象的位置，一个RadioButton（单选按钮）调整对象的位置，形成如图3所示的GUI界面。
图1GUI向导控制面板
图2默认的模板界面
图3创建的模板界面
4.2.1控件的设计
在绝大多数的图形用户界面中都包含控件。
控件是图形对象，它与菜单一起用于建立图形用户界面。
通过使用各种类型的控件，可以建立起操作简便，功能强大的图形用户界面。
与菜单对象一样，可以通过命令行方式与GUI设计工具两种方式来建立控件。
在命令行方式下，可以通过函数uicontrol来建立控件对象。
该函数的调用格式为：
controlhandle=uimenu（'PropertyName1',PropertyValue1,…）
controlhandle是创建的控件对象的句柄值；PropertyName1是控件的某个的
属性名，PropertyValue1是与属性名相对应的属性值。
对象属性编辑器在GUI设计向导控制面板中按下PropertyEditor按钮可打开对象属性编辑器。
对象属性编辑器界面分为2个部分：
上部是图形对象列表，列出了所有根对象下的子对象。
包括每个图形窗口对象以及窗口对象中的各控件对象。
用户可以在此选择自己所需要设置的图形对象。
下部的是图形对象的属性列表。
列出了用户所选中的图形对象的所有属性名称以及属性的值。
当用户选中一个属性，则在两个文本框中会分别显示出属性的名称和当前的属性值，可以利用此对其属性的修改。
4.2.1回调函数的编写
回调程序编辑器的打开有如下方法：
A.在GUI设计向导控制面板中按下CallbackEditor按钮。
B.在图形窗口中的Toolw菜单下选择CallbackEditor选项。
一个GUI应用软件的实现，最终是要通过对控件对象的操作来完成，而这些操作必定是通过MATLAB中函数代码的执行来完成的。
函数代码的编制既可以通过编写回调函数完成，然后在编写时可以把该控件的函数代码直接书写在Callback中；也可以把函数代码放在一个自定义的。
M文件中，而在Callback中只将其文件名写上。
在编写回调函数时，handles是一个特别有用的结构数组，它以图形窗口中的所有对象的Tag值为域，存储着所有图形对象的句柄，通过handles可以方便地进行数据调用。
再利用所有对象都具有的UserData属性来进行数据存储、传递，编写一个完美的回调函数就是一件轻而易举的事了。
对控件执行默认操作时，matlab自动执行按钮的callback下的代码。
比如按钮，就是单击按钮一下。
所以对于编程的新人来说，只用在相应函数下，添加自己期望执行的操作代码就可以了。
比如说希望鼠标在控件上单击时执行某写代码，那将代码添加在ButtonDownFcn下就好。
希望在控件销毁（比如说某窗口）时，执行一些代码，那可以把代码添加在DeleteFcn下面。
控件是否支持“单击”，“鼠标划过”“鼠标松开”等等，可以去help查看它的Fcn有哪些。
在控件上右键选择viewcallbacks就可以看见它所支持的常用的回调函数callbacks。
需要对什么进行反应，直接点进去，添加自己的代码就可以了。
5.系统设计
5.1图形功能分析
1.用MATLAB为串口数据采集系统设计界面完成串口参数设置，串口数据采集的开关以及数据读写；
2.设计界面配置数据采集系统的参数，曲线显示界面与图形变换与处理。
5.2软件界面
系统的界面包括了链接设备区，CAN波特率选择下拉菜单，ID方式选择下拉菜单例的滚动条，使用滤波屏蔽滤波单选按钮，链接及释放设备按钮；发送接收测试区发送接收按钮读写数据框；详细设计如图4所示。
图4运行界面窗口
5.3主界面的实现
5.3.1串口选择
使用下拉菜单方式让使用者方便的进行选择设置。
1.CAN波特率选择范围5KBPS~1MPS，如图5所示；
图5波特率选择
2.ID方式选择包括2515方式，SJA方式，右对齐方式。
如图6所示；
图6ID方式选择
5.3.2串口数据参数设置
硬件设备USB-CANA2
Qm_usb.dll是接口DLL；
Qm_usb.dll放置在应用软件Exe文件所在目录下。
函数说明
初始化设备函数：
Init_can（com_NUM,Model，CanBaudRate，SET_ID_TYPE,FILTER_MODE,RXF,RXM）
说明：
本函数用于初始化USB接口，并对CAN总线进行基础设置。
参数：
CanBaudRate：
CAN波特率
com_NUM：
设备连接的端口。
0：
自动选着，其他值：
端口号
Model：
设备类型1：
A1型2：
A2型3：
A3型
SET_ID_TYPE：
值
意义
0
2512方式
1
SJA1000方式
2
右对齐方式
示例
Init_can（com_NUM,Model，CanBaudRate，SET_ID_TYPE,FILTER_MODE,RXF,RXM）
varret:
integer；
REF,RXM:
array[0..3]ofBYTE;
ret:
=Init_can（0，2,20,0,2，@REX,@RXM）；//初始化函数演示
5.3.2接收和发送数据函数
发送数据
函数：
Can_sent（IDbuff;Databuff;FreamType,Bytes）
IDbuff：
ID缓冲区四字节数组
Databuff：
数据缓冲区八字节数组
FreamType：
发送的帧类型。
接收数据
函数：
Can_receive（IDbuff;Databuff;FreamType,Bytes）
在连接设备按钮的回调函数callback中写入程序
tt2=handles.text2;
loadlibrary（'QM_USB.dll','qm_usb.h'）
fm=calllib（'QM_USB','Init_can',0,2,400,1,0,[0000],[0000]）;
iffm==0
set（tt2,'String','已连接'）;
set（tt2,'ForegroundColor',[0.20.40.3]）;
else
set（tt2,'String','未连接'）;
set（tt2,'ForegroundColor','red'）;
end
在释放按钮的回调函数callback中写入程序
tt2=handles.text2;
fm=calllib（'QM_USB','Quit_can'）;
unloadlibrary（'QM_USB'）
iffm==0
set（tt2,'String','未连接'）;
set（tt2,'ForegroundColor','red'）;
end
设计总结
致谢
参考质料
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