Matlab上位机开发

转载自：mculover666微信公众号
向前辈学习！

1 了解上位机

1.1 上位机的作用

在嵌入式项目开发中，无论是单片机项目、嵌入式Linux项目、FPGA项目，上位机始终是一个很重要的部分，主要用于：

• 数据显示（波形、温度等）
• 用户控制（LED，继电器等）
• 文件传输（图像、音频等）

下位机（单片机）与 上位机之间进行数据通信有四种主要方式：

1. 串口
   主要适用于下位机和上位机在一起的系统，使用USB转串口与PC相连，也可以使用无线透传串口模组，将串口信号转化为射频信号传输；
2. USB
   速度相较于串口大幅提升，适合于工控设备传输文件（比如3D打印机、激光切割机等），但是对下位机要求较高，需要支持USB协议；
3. 网络
   一方面适用于物联网项目，一方面适用于嵌入式Linux系统（已经移植支持了网络）；
4. 蓝牙
   不多用。

1.2 常用上位机开发方式

上位机软软件开发主要包括以下两种：

1.2.1 Windows上位机（基于串口通信）

1. WinForm或者WPF（C#）
   在Windows上，最早用VB语言开发，后来由于C++的发展，采用MFC开发，再后来微软发布了基于.NET框架的面向对象语言C#，更加稳定安全，再配合微软强大的VS进行开发，效率奇高；

c#和Java的语法类似，WPF相较于WinFormden优势在于，可以使用xml语言编写更加炫酷的界面；

2. Qt（C++）
   一方面可以跨平台运行，另一方面，对于嵌入式Linux中已经熟练掌握Qt开发的开发者，使用Qt再来开发上位机非常方便；

3. Labview
   有着更加丰富好看的数据显示控件和逼真的交互控件，并且可以图形化开发；

4. Matlab
   多适合于需要上位机进行信号处理的项目，比如本身掌握Matlab中基本信号处理的科研人员，只需要使用下位机（Arduino）来读取ADC的数据并发送到PC进行处理，还可以进行图像处理，语音信号处理等；

1.2.2 Android上位机（基于网络通信）

1. 使用Java或者kotlin编写（APP）
   利用Android Studio开发，多适用于物联网项目的数据显示和控制；

2. 使用XML+CSS+JavaScript编写（小程序）
   微信提供了开发工具，多适用于物联网项目的数据显示和控制，相对APP比较轻量级，并且开发方式和网页开发类似。

1.3 教程概况

目前作者已经出的教程有：

1.3.1 C#上位机开发教程

地址：https://blog.csdn.net/mculover666/category_8632945.html

1.3.2 IoT App开发

这个系列教程由作者和B站up主“阿正啷个哩个啷”联合出品，有文字教程和视频教程，非常简单粗暴，没有Java基础也能开发：

• 文字教程：
  
  地址：https://blog.csdn.net/mculover666/category_9780817.html

• bilibili视频教程：
  地址：https://space.bilibili.com/265908761/video

1.3.3 Matlab上位机开发

从本篇文章开发，我将带领大家一起掌握如何通过 Matlab 开发上位机，目前计划的有以下这些，敬请期待：

• Matlab上位机开发（二）Hello，World
• Matlab上位机开发（三）波形显示（幅度和频率可调节）
• Matlab上位机开发（四）Matlab调用自带摄像头或者USB摄像头并显示
• Matlab上位机开发（五）Mtalab串口通信
  希望本系列教程可以给你带来帮助~

注：Matlab2018可以在作者提供的不限速下载站下载，点击阅读原文即可跳转。

2 Hello，World

2.1 启动GUIDE

在Matlab命令行输入guide启动Matlab的图形界面设计工具，选择创建一个空白的GUI：

创建之后界面如图：

2.2 拖动控件，开始设计

2.2.1 控件栏

控件栏中提供了13个控件，分别为：

• 按钮
• 滑动条
• 单选按钮
• 复选按钮
• 可编辑文本
• 静态文本
• 弹出式菜单
• 列表框
• 切换按钮
• 表
• 坐标轴
• 面板
• 按钮组

2.2.2 静态文本显示控件

首先从左边控件栏拖动到设计画布中：

然后双击画布中的控件，即可打开该控件的属性设置页面：

属性非常多，可以根据自己的需要进行设置，这里我调整字体大小(fontsize)为28，字体内容(string)为“HelloWorld”：

这些属性切换到分类模式下就很好理解了：

一些顾名思义的属性不再赘述，只讲述一些matlab中特有的：

① 控件风格和外观
CData：在控件上显示的图像；
② 控件回调函数的执行控制
BusyAction：处理回调函数的中断，有两种选项：即Cancel：取消中断事件，queue：排队（默认设置）；
Interruptible：指定当前的回调函数在执行时是否允许中断，去执行其他的函数；
③ 控件对象创建和删除控制
CreateFcn：在对象产生过程中执行的回调函数；
DeleteFcn：删除对象过程中执行的回调函数；
④ 控件标识信息
Tag：控件的标识信息，可以自定义；

2.2.3 按钮控件

同样，拖动一个按钮控件到画布中，并修改其属性：

2.3 回调函数，让界面动起来

Matlab中控件（比如按钮），和用户交互的机制是设置回调函数，什么是回调函数呢？

当用户在点击按钮之后，程序中需要调用来处理该按钮点击事件的函数，称为该按钮的回调函数！

设置一个控件的回调函数非常简单，只需要右击该按钮即可查看其所有的回调函数：

这里点击Callback即可跳转到该函数：

其中hObject为发生事件的源控件，eventdata为事件数据结构，handles为传入的对象句柄，在该回调函数中添加下面的这行代码，来修改静态文本显示控件的属性值：

set(handles.text3,'String','按钮按下啦~');

第一个参数根据传入的对象句柄和控件的唯一标识来寻找控件，第二个参数为要改哪个属性，第三个参数为改变的属性值，举一反三，其它的操作也是一样。

2.4 大功告成，试试效果

点击运行或者按F5，程序启动后如图：

点击按钮后，程序变为：

3 波形显示（幅度和频率可调节）

3.1 控件布局

打开Matlab，在命令行输入guide启动GUI设计工具，拖动控件开始设计：

3.1.1 波形显示控件(axes)

波形显示控件可以用于绘制各种波形，拖动控件到画布中即可，然后根据需要调整控件大小：

3.1.2 滑动条控件(slider)

滑动条可以用于滑动调节波形的频率和幅度，并拖动两个静态文件控件用于说明：
双击频率的滑动条，设置其最大值和最小值，以及默认值：

同样，设置幅度的属性值：

3.1.3 可编辑文本框(edit)

可编辑文本框有两个功能：

• 用于直接设置波形的频率和幅度；
• 用于显示滑动条设置的频率值和幅度值；

拖动两个编辑框并在属性中设置其默认值：

3.1.4 按钮控件

按钮控件用于启动波形显示：

3.1.5 保存设计

设计完成之后，点击保存按钮或者按Ctrl+S保存设计：

3.2 回调函数，让界面动起来

3.2.1 滑动条和编辑框联动

首先编辑滑动条的回调函数，实现拖动滑动条，编辑框可以显示对应的值：

v1 = get(handles.slider1, 'Value');
s1 = sprintf("%f", v1);
set(handles.edit1, 'String', s1);

点击运行，查看效果：

同样，编写另一个滑动条的回调函数：

v2 = get(handles.slider2,'Value');
s2 = sprintf("%f", v2);
set(handles.edit2, 'String', s2);

实现的效果如下：

再来编写频率文本编辑框的回调函数，当输入一个值的时候，滑动条的值跟着变化：

s1=get(handles.edit1,'String');
v1=str2double(s1);
set(handles.slider1,'Value',v1);

同样，再来编写幅度文本框的回调函数：

s2=get(handles.edit2,'String');
v2=str2double(s2);
set(handles.slider2,'Value',v2);

3.2.2 编写一个绘制波形的自定义函数

点击按钮、调节滑动条，都需要重新绘制波形，所以先编写一个自定义函数，供其它函数调用：

function draw_wave(handles)
global Fs
global A
Fs = 44100;
dt=1.0/Fs;
T =2;
N=T/dt;
t=linspace(0,T,N);
s1=get(handles.edit1,'String');
F=str2double(s1);
s1=get(handles.edit2,'String');
A=str2double(s1);
x =A*sin(2*pi*F*t);
plot(handles.axes1,t,x,'b','LineWidth',1.5);
axis(handles.axes1,[0, 0.01, -2500,2500]);
grid(handles.axes1);

3.2.3 点击按钮，显示波形

编写按钮的回调函数，在回调函数里调用之前编写的自定义函数显示波形：

draw_wave(handles);

运行效果如下：

3.2.4 添加频率滑动条调节波形功能

继续编辑滑动条的回调函数，添加波形显示功能：

频率调节滑动条完整的回调函数如下：

v1 = get(handles.slider1, 'Value');
s1 = sprintf("%f", v1);
set(handles.edit1, 'String', s1);
global Fs
Fs = v1;
draw_wave(handles);

运行效果如下：

3.2.5 添加幅度滑动条调节波形功能

继续编辑滑动条的回调函数，添加波形显示功能：

幅度调节滑动条完整的回调函数如下：

v2 = get(handles.slider2,'Value');
s2 = sprintf("%f", v2);
set(handles.edit2, 'String', s2);
global A
A = v2;
draw_wave(handles);

运行效果如下：

3.2.6 添加编辑框调节频率和幅度的功能

同样，在频率编辑框的回调函数中添加代码，完整的回调函数如下：

s1=get(handles.edit1,'String');
v1=str2double(s1);
set(handles.slider1,'Value',v1);
global Fs
Fs = v1;
draw_wave(handles);

在幅度编辑框的回调函数添加同样的功能，完整的回调函数如下：

s2=get(handles.edit2,'String');
v2=str2double(s2);
set(handles.slider2,'Value',v2);
global A
A = v2;
draw_wave(handles);

运行即可看到效果，请参考下一节的完整演示效果。

3.3 演示效果

整个程序的完整演示效果如下：

4 Matlab获取自带摄像头或者USB摄像头数据

4.1 两种获取摄像头的方式

Matlab自身不支持直接读取摄像头数据，需要安装硬件支持包才可以获取，目前常用的有两个包：

第一个是 MATLAB Support Package for USB Webcams，这个包可以获取任何USB摄像头的图像（UVC），也可以获取电脑自带摄像头的数据，兼容 R2014a 到 R2020a 的版本。

第二个是Image Acquisition Toolbox Support Package for OS Generic Video Interface，更加通用，它也兼容 R2014a 到 R2020a 的版本。（推荐）

4.2 使用Image Acquisition Toolbox

4.2.1 安装硬件支持包

首先执行这条命令打开摄像头，测试是否可以调用videoinput函数：

video_source = videoinput('winvideo',1)

如果出现图中的错误，那么恭喜你，需要手动安装硬件支持包了。

点击获取附加功能中的获取硬件支持包：

按照图中所示找到该支持包：

安装支持包：


这个安装之前需要登录Matlab账号，安装过程也比较慢。

4.2.2 玩转摄像头

① 查看电脑上已经安装的图像适配器 Matlab的图像获取工具箱（第一步安装的硬件支持包）中提供了函数，可以获取查询当前PC上已经连接的摄像头信息，函数如下：

imaqhwinfo()

其中InstalledAdaptors的值给出了当前电脑上已经安装的摄像头适配器个数，这里我的电脑上只有一个：winvideo。
② 查看摄像头设备具体参数
使用该命令查看上一步获取到的图像适配器的具体参数：

win_info = iimaqhwinfo('winvideo')

可以看到其中给出了该图像适配器具体的一些参数，特别需要注意的是，该函数返回了连接在当前图像适配器winvideo上的所有摄像头的设备ID和设备信息！

当前我的电脑上一共有两个摄像头，一个是笔记本电脑内置的摄像头，另一个是我连接的USB 2.0 摄像头，接下来以USB摄像头为例，说明如何查看摄像头的设备ID和具体信息：

在工作区找到保存信息的变量win_info，双击查看其值：

可以看到，两个摄像头的设备ID分别为1和2，一般来说，电脑内置的摄像头的ID为1。
同样，双击win_info.DeviceInfo变量，可以查看摄像头的具体参数：

这里摄像头支持的格式有40多种，不方便查看，我们可以在命令行查看：

win_info.DeviceInfo.SupportedFormats

③ 创建视频输入对象

使用如下的命令来创建一个视频输入对象：

video_obj = videoinput(adaptorname,deviceID,format)

该函数的三个参数说明如下：

• adaptorname：适配器名称（必须）
• deviceID：设备ID号（必须）
• format：视频采集格式（不填写则使用默认）
  如下，我要创建USB摄像头的视频输入对象：

video_obj = videoinput('winvideo',2)

④ 预览视频对象
使用如下命令即可预览视频对象，该函数会自动打开一个窗口，播放摄像头画面：

preview(video_obj)

4.3 使用USB Webcams包

4.3.1 安装硬件支持包

点击获取附加功能中的获取硬件支持包：

按照图中所示找到该支持包：

安装支持包：

这个包不需要授权，只需要安装之前登录Matlab账号即可，安装过程非常快。

4.3.2 玩转摄像头

① 查看当前摄像头设备列表

webcamlist

需要注意，使用webcam的时候，下标从1开始，1对应USB Camera，2对应Integrated Camera。

② 获取视频对象 一行代码即可获取，非常舒服，比如获取外接USB摄像头的输入对象：

cam1 = webcam(1)

同样可以获取电脑自带摄像头的输入对象：

cam1 = webcam(2)

③ 预览视频对象
使用如下命令即可预览视频对象，该函数会自动打开一个窗口，播放摄像头画面：

④ 查看摄像头支持的分辨率并修改：

<刚刚获取的设备对象>.AvailableResolutions

然后根据修改为需要的分辨率：

<刚刚获取的设备对象>.Resolution = <指定的分辨率>

再次preview之后即可看到分辨率改变。

⑤ 用完之后清除对象

clear <刚刚获取的对象>

4.4 在GUI中显示视频流并拍照

在Gui界面中显示视频流尽量使用Image Acquisition Toolbox。

4.4.1 拖动控件，设计界面

在命令行输入guide启动设计界面，新建一个设计文件。

设计的界面如下：

4.4.2 实时显示摄像头画面

点击开启按钮后，在第一个坐标区实时显示摄像头画面，回调函数代码如下：
首先创建一个全局的视频输入对象：

global video_obj;
video_obj = videoinput('winvideo', 2, 'YUY2_640x480');

然后设置图像格式为RGB：

set(video_obj,'ReturnedColorSpace','rgb');

获取视频输入对象的信息，用于在坐标区显示：

videoRes = get(video_obj, 'VideoResolution');
nBands = get(video_obj, 'NumberOfBands');

转换，将视频输入对象与坐标区控件关联起来：

hImage = image(zeros(videoRes(2), videoRes(1), nBands),'parent',handles.axes1);

开始显示：

preview(video_obj,hImage);
start(video_obj);

完整的代码如下：

global video_obj;
video_obj = videoinput('winvideo', 2, 'YUY2_640x480');
set(video_obj,'ReturnedColorSpace','rgb');
videoRes = get(video_obj, 'VideoResolution');
nBands = get(video_obj, 'NumberOfBands');
hImage = image(zeros(videoRes(2), videoRes(1), nBands),'parent',handles.axes1);
preview(video_obj,hImage);
start(video_obj);

接下来启动后，点击开启按钮，就可以在第一个坐标区看到摄像头实时画面了。

4.4.3 关闭摄像头实时显示

点击关闭按钮后，关闭在第一个坐标区实时显示的摄像头画面，回调函数代码如下：

global video_obj;
stop(video_obj);
closepreview(video_obj);
delete(video_obj);

接下来启动后，点击关闭按钮，就可以关闭在第一个坐标区看到摄像头实时画面了。

4.4.4. 拍照（抓取画面）

点击拍照按钮，即可抓取当前视频流的画面，显示在第二个坐标区控件，回调函数代码如下：

global video_obj
mypic = getsnapshot(video_obj);
axes(handles.axes2);
imshow(mypic);

如果需要对抓取的图片进行处理，则将图片变量mypic设为全局变量！

启动后即可看到效果。

5 Matlab串口通信

5.1 Matlab串口通信

Matlab提供了串口通信的功能，串口通信的流程如下：

5.1.1 创建串口对象

创建一个串口对象的API如下：

scom = serial('<串口号>');

串口号为COM8的形式，这个API有个缺点：不能自动检测目前电脑中存在中的串口。

创建之后设置该串口对象的属性:

• InputBufferSize：输入缓冲区大小（单位字节）
• OutputBufferSize：输出缓冲区大小（单位字节）
• ReadAsyncMode：数据读取模式
• BaudRate：波特率
• Parity：校验位
• StopBits：停止位
• DataBits ：数据位
• Terminator：触发中断的字符（一般是换行符）
• FlowControl：流控
• timeout：一次操作超时时间
• BytesAvailableFcnMode：设置数据读入格式
• BytesAvailableFcnCount：触发中断的数据数量
• BytesAvailableFcn：串口接收中断回调函数
  常用设置如下：

scom.InputBufferSize = 512;
scom.OutputBufferSize = 512;
scom.ReadAsyncMode = 'continuous';
scom.BaudRate = 115200;
scom.Parity = 'none';
scom.StopBits = 1;
scom.DataBits = 8;
scom.Terminator = 'CR';
scom.FlowControl = 'none';
scom.timeout = 1;
scom.BytesAvailableFcnMode = 'byte';
scom.BytesAvailableFcnCount = 1024;
scom.BytesAvailableFcn = @callback;

5.1.2 打开串口

打开串口的API为：

fopen(scom);

打开串口可能会发生异常，所以此函数建议放在try..catch..end中执行：

try
    fopen(scom);
catch
    <捕获到异常时需要打印或者显示的信息>
end

5.1.3 写入数据

向串口写入数据的API有两个：

fwrite(scom,A); % 以二进制形式向串口对象写入数据A
fprintf(scom,str); %以字符(ASCII码)形式向串口写数据str(字符或字符串)

如果BytesAvailableFcnMode设置的为byte，则使用 fwrite 。

5.1.4 读取数据

从串口读取数据的API也有两个：

A = fread(scom,size); %从串口对象中读取size字节长短的二进制数据，以数组形式存于A
str = fscanf(scom); %从串口对象中读取字符或字符串(ASCII码)形式数据，以字符数组形式存于str

如果BytesAvailableFcnMode设置的为byte，则使用 fread。

5.1.5 关闭串口

在不使用串口或者关闭界面之前，必须要关闭串口，否则下次将无法打开该串口：

close(scom)

5.2 串口中断

上面讲述了使用fread手动读取数据的方式，但是实际应用中，需要使用串口中断自动接收并处理数据。

5.2.1 触发中断的条件

触发串口Bytes available事件有两种条件：

• 当接收到的字符数达到指定的数目时（BytesAvailableFcnCount 属性）；
• 当接收到指定字符时（Terminator 属性）；

5.2.2 串口中断处理回调函数

在上一节设置属性的最后有这样一行代码：

scom.BytesAvailableFcn = @callback;

这行代码就是设置串口中断处理回调函数，如果是纯m文件可以这样设置，但是在GUI界面中还要传入handles调用控件，如下：

scom.BytesAvailableFcn = {@calllback,handles};

这里我设置的函数名为callbcak，回调函数自己实现即可：

function callback(s,event,handles)