MATLAB ：【11】一文带你读懂serialport串口收发原理与实现

碎碎念：

这周的主要工作还是集中于FOC中，因为羡慕稚晖君做出的漂亮Qt面板，因此在利用MATLAB复刻过程中，学习了一下serialport的使用。FOC的GUI部分就在加班加点写作中啦，同时最近打算开一个新坑，大家可以期待一下哈哈哈。

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目录

1 串口接收

2 串口发送

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考虑到互联网中对MATLAB中最新的serialport的使用案例有些混乱，并且很多都是基于已经被淘汰的serial库，严重缺乏易用性，因此在本文中给出简单的串口收发模板，特别是串口回调函数的使用案例。

1 串口接收

串口接收是指，开发板将数据发送给电脑，电脑读取数据并进行数据分析处理的过程。

想弄清楚怎么接收串口的数据，那你首先就需要知道串口的数据是怎么发送出来的。

试想这样的应用场景，我的开发板上安装了一个温度传感器，温度传感器采集的数据长度是3字节（24比特）；我需要将开发板采集到的温度信息实时显示在屏幕上，我需要怎么做？

这其中需要注意的有下面几点：

1. 温度传感器是3字节的，如何确定接收到的某一个字节位于三个字节中的哪个位置？
2. 实时显示要求我需要对每次发送过来的数据做出响应，这种响应需要怎么做？

针对问题1：

其实这也是初学者常遇到的问题，有时候串口发送的数据就像一个堵不住的水管，完全不知道要怎么处理。

由于串口协议的限定，导致其每次发送的只能是一个字节，对于多字节的数据【ABC】来说，就只能通过三个字节【A】、【B】、【C】来发送，如下图所示（最左端为最先接收到的字节）：

这就显然会遇到问题，在任意一个时刻，我没办法确定接收到的数据到底处于【ABC】的哪一个位置；更致命的是，由于物理介质的影响，甚至可能会造成数据的丢失，这就更给数据的接受造成了影响。

如何解决这一问题呢？人们开始想到了“打包”的方式，也可以理解为我们常说的“帧”的概念。只要在每组数据的开头加一些标志，表示出这是数据的最开始位置不就好了，即为下图所示（最左端为最先接收到的字节）：

假设我们设置的这个标志为【FF、FF】，当上位机检测到连续的两个【FF】时，就表示之后的三个字节分别为【A】、【B】、【C】。

这其实就解决了这个问题1，实现了对一帧中每一个字节的位置确定。

针对问题2：

解决问题1后，我们当然可以利用顺序执行的方式，来实现对串口数据的一次读取以及数据处理。但是如何实现当每一次检测到特定信号，就调用一次数据处理函数呢？

这就要先理解一下MATLAB中serialportlist的使用逻辑了，整体来说serialportlist是对serial的升级版本（在帮助页面也有提到），其通过构建SerialObject对象的方式，来实现串口参数的设置以及读写。

具体细节可以参考MATLAB文档serialport，太全面的参数设置过于冗余，不在本文讨论范围内。这里主要介绍两个比较重要的概念缓冲区以及回调函数。

缓冲区：

在serialport中，缓冲区是自动存在于SerialObject对象中，但是有时使用时（如本文）不需要针对性设置缓冲区的大小。可以理解为一个长度固定的FIFO队列，当检测到特定信号的时候，将串口传入的每一个字节的数据，按顺序保存在里面，当长度满了之后，就不再继续在里面添加新的数据了。

可能会使用到的函数为

flush(SerialObj)

可以用来清空缓冲区，常常用在串口对象初始化的时候。

回调函数：

这个是解决问题2的关键，回调函数可以理解为一个开关被触发后需要进行的操作（或者简单理解为单片机的中断处理函数）；我们可以通过SerialObject的对象设置，来设置检测到什么信号（这个信号是作为一帧的结尾）的时候，执行回调函数。

举个方案A作为例子，我们可以设置检测到【FF FF】信号的时候，执行三个字节的数据读取。（尽管不这样用，后面会说为什么）

如上图所示，当我们按照上面方案A的方式，设置回调函数的触发条件，有什么问题呢？每当检测到【FF FF】的时候，就会触发回调函数。

看似没问题，但是此时一帧的组合已经从【FF FF A B C】变成了【A B C FF FF】，因为我们提到回调函数敏感的是一帧的结尾。检测到【FF FF】时，下一个字节显然就是【A】。这其实是不规范的，我们不能理所当然地认为每一帧都是传输正确的。

举个例子：

【 A B C FF FF】【 A B C FF FF】【 A B C FF FF】【 A B C FF FF】【 A B C FF FF】

中间红色的ABC表示因为数据线接触不良导致的传输错误，如果具有固定帧头的话，或许帧头也会出现错误，从而直接跳过这一帧错误的信号【 A B C FF FF】。

因此必须通过固定的帧头来确定此时传输的是否是完整的数据。

这就需要我们进一步对一帧的结构，进行修改了，让其完整地包含“帧头”与“帧尾”。在MATLAB中给出了configureTerminator的方法，可以编辑SerialObject需要检测到的帧尾信号。详细解释可以看configureTerminator官方文档，其中有这样的介绍：

configureTerminator(t,terminator) defines the terminator for both read and write communications with the remote host specified by the TCP/IP client t. Allowed terminator values are "LF" (default), "CR", "CR/LF", and integer values from 0 to 255. The syntax sets the Terminator property of t.

这里提到，我们可以设置需要检测帧尾信号为“LF”、“CR”、“CR/LF”或一个0-255的整数（刚好对应了8位无符号数，也就是一字节）。

按照上面的说明，我们可以对之前的帧进行下图的修改，加上帧尾（最左端为最先接收到的字节）：

这样，我们就可以利用检测帧尾（橙色部分），来实现对回调函数的调用啦。但是新的疑问又诞生了：我理解0-255的数字怎么发送，但是这毕竟是单字节的，会不会造成数据读取混乱？上文提到的“LF”、“CR”、“CR/LF”这三个又是什么？（这也是困扰了我一段时间的问题）

“LF”、“CR”、“CR/LF”概念解释：

引用自：CR，LF详解_Berwyn丶的博客-CSDN博客_cr的16进制

从起源上来说，在计算机还没有出现之前，有一种叫做电传打字机（Teletype Model 33，Linux/Unix下的tty概念也来自于此）的玩意，每秒钟可以打10个字符。但是它有一个问题，就是打完一行换行的时候，要用去0.2秒，正好可以打两个字符。要是在这0.2秒里面，又有新的字符传过来，那么这个字符将丢失。

于是，研制人员想了个办法解决这个问题，就是在每行后面加两个表示结束的字符。一个叫做“回车”，告诉打字机把打印头定位在左边界；另一个叫做“换行”，告诉打字机把纸向下移一行。这就是“换行”和“回车”的来历，从它们的英语名字上也可以看出一二。

后来，计算机发明了，这两个概念也就被般到了计算机上。那时，存储器很贵，一些科学家认为在每行结尾加两个字符太浪费了，加一个就可以。于是，就出现了分歧。在不同的系统中，就出现了下面的状况：

系统	符号	名称	十六进制（ASCII）
Linux	’\n’	LF	0x0A
Mac	’\r’	CR	0x0D
Windows	’\r\n’	CR/LF	【0x0D 0x0A】

注：这里并不是说在Windows系统中只能使用CR/LF作为帧尾，表格里说的是对应系统本文编辑器中的默认换行符。

是不是感觉豁然开朗？那我们就可以理所当然的将之前的图改为下面的样子（最左端为最先接收到的字节）：

读到这里，我想读者朋友们已经逐渐理解了最开始所说的：想弄清楚怎么接收串口的数据，那你首先就需要知道串口的数据是怎么发送出来的。回想一下我们的思路，因为要实现多字节读取，所以需要给一个固定的帧头用来确定每个字节的位置；为了提供一个可以激活回调函数的信号，并且不影响帧头的存在，我们需要添加一个帧尾。结合configureTerminator中的设置信号，我们发现可以使用“LF”、“CR”、“CR/LF”或者0-255的数字作为帧尾让回调函数激活，通过查阅原来前面的三个“LF”、“CR”、“CR/LF”说的是换行符的ASCII码，我们可以使用开发板让他们发出对应的十六进制数据来表示。

至此，我们知道了数据从开发板上发送出来时的结构。对比四种帧尾，只有“CR/LF”是两个字节的，对于温度这种未知的数据信号来说，是最稳妥的，可以更好的避免出现雷同情况，导致读取错误。

举个例子：

当我们发送的数据是：【FF FF A B C 帧尾】。

当帧尾是1字节很有可能出现【C】与【帧尾】相同的情况，如果【帧尾】是两字节，【B C】与之雷同的情况则会概率减小很多。

因此我们选择在开发板中按照下图的方式来发送数据给上位机（最左端为最先接收到的字节），这需要先在开发板中定义好，本文默认读者已经完成了这部分，如果有需要的话，读者也可以留言给我，我会单独出一篇文章进行讲解：

那么现在就可以开始激动人心（bushi）的MATLAB编程环节啦，基于MATLAB文档serialport，下面给出一个简单的模板：

Port_List = serialportlist("available");
SerialObj = serialport("COM7",115200);
configureTerminator(SerialObj,"CR/LF");
flush(SerialObj);
SerialObj.UserData = struct("Data",[]);
configureCallback(SerialObj,"terminator",@readSerialData);

% 回调函数
function readSerialData(src, ~)
    data = read(src,7,"uint8");
    src.UserData.Data = data;
    ShowTemp(src);
end

% 温度数据处理与展示
function ShowTemp(src)
    if(src.UserData.Data(1:2) == [0xFF 0xFF])
        Temperature = src.UserData.Data(3)*256*256 + src.UserData.Data(4)*256 + src.UserData.Data(5);
        disp(Temperature);
    end
end

下面对代码进行一下讲解：

Port_List = serialportlist("available");

展示出当前系统中可用的串口列表，与电脑设备管理器中的端口是对应的。

SerialObj = serialport("COM7",115200);

利用serialport函数来构造一个串口对象SerialObj，设定对应的端口是COM7端口，波特率是115200。

configureTerminator(SerialObj,"CR/LF");

设置需要检测到的帧尾是"CR/LF"。

flush(SerialObj);

清空串口对象的接收缓冲区。

SerialObj.UserData = struct("Data",[]);

通过查看SerialObj对象的属性，可以看到其中存在一个属性叫做UserData，可以用来存储数据，这里我们将其定义为一个结构体，里面自行定义只有一个叫做Data的数据。

configureCallback(SerialObj,"terminator",@readSerialData);

指定回调函数，也就是第三个属性提到的readSerialData函数，表示检测到帧尾后需要进行的操作。“terminator”参数的意思是检测结束符，读者只需要修改最后一个参数readSerialData即可。

function readSerialData(src, ~)

定义回调函数，src表示自定传入的对象，因此不需要进行修改。

    data = read(src,7,"uint8");

read函数表示从串口对象中读取7字节的数据，因为是从检测到结束符后面开始的也就是【FF FF A B C 0D 0A】这7个字节的内容。“uint8”表示读取的是8位无符号数。值得注意的是，这部分还有其他的函数可以使用，例如用来读取一行字符的readline函数，同样在MATLAB文档serialport有明确介绍。

这里其实就可以进一步理解CR/LF之所以是换行符的原因了，从一个换行符读取到另一个换行符之间，不就是读取一行（readline）的含义吗？

    src.UserData.Data = data;

将读取到的数据data存储到对象属性UserData里面的结构体下的Data中，实现数据的存储。数据的存储方式是一个长度为7的数组，可以直接利用索引1-7进行调用。

    ShowTemp(src);

调用数据处理的函数，用来预处理和显示接收到的数据。

end

function ShowTemp(src)

定义数据处理函数

    if(src.UserData.Data(1:2) == [0xFF 0xFF])

使用if语句，判断数据头是否是【FF FF】，确定是否有传输错误。

        Temperature = src.UserData.Data(3)*256*256 + src.UserData.Data(4)*256 + src.UserData.Data(5);

之后的三个字节是【A B C】，每个是8比特，因此要乘以它们的权值进行计算，获得原始的数据。

        disp(Temperature);

展示当前的数据到控制台。

    end
end

2 串口发送

串口发送是指，电脑将需要发送的数据（一般是指令或者参数设置信息）整合好，发送给开发板的过程。

相信有了前面串口接收的基础，这对大家来说就非常简单了，在这里，我们还是假设一个应用场景来进行讲解，由于很对读者会使用到GUI进行串口发送的测试，这里我们就以GUI中的文本输入框的数据格式为例。

在GUI中，我需要将一个十六进制字符串“FF 01 02 03 04”发送给开发板，我需要怎么做？GUI如下图所示，是“文本区域”类型的模块：

这里需要注意下面的问题：

1. 如何从GUI中获取数据（仅限于GUI使用时，如果是脚本文件，则需要按照字符串来进行处理）。
2. GUI中获取到的数据，实际上是cell类型，而不是单纯的字符串类型（仅限于GUI使用时，如果是脚本文件，则需要按照字符串来进行处理）。
3. 如何将数据进行分割并发送。

这里由于三个问题相当明确且容易解决，因此我直接给出串口发送函数write的使用案例：

Port_List = serialportlist("available");
SerialObj = serialport("COM7",115200);
send_data = get(app.TextAreaTabSend, "value");
HEX       = hex2dec(strsplit(cell2mat(send_data), " "));
write(app.SerialObject,HEX,"uint8");

下面对代码进行一下讲解：

Port_List = serialportlist("available");

展示出当前系统中可用的串口列表，与电脑设备管理器中的端口是对应的。

SerialObj = serialport("COM7",115200);

利用serialport函数来构造一个串口对象SerialObj，设定对应的端口是COM7端口，波特率是115200。

send_data = get(app.TextAreaTabSend, "value");

从GUI中获取当前TextArea中的值信息，返回的时cell类型的数据。

HEX       = hex2dec(strsplit(cell2mat(send_data), " "));

从内层到外层，依次完成cell2mat()将cell类型转为mat类型；strsplit()将mat类型按照空格进行分割；hex2dec()将字符串视为hex类型的数据转为十进制进行传输。

如果是单纯的字符串操作，则换为下面的函数即可：

HEX       = hex2dec(strsplit(send_str, " "));

将字符串先进行分割，然后转为十进制的数组。

注意，这两种写法我都是默认，发送的信息必须每个字节之间使用空格进行分割处理，因为使用的时write函数，并且是uint8类型。

write(SerialObj ,HEX,"uint8");

将数据HEX发送给SerialObj对象，实现发送。这里使用的是write函数，其实还有另一个函数writeline，读者可以参考MATLAB文档serialport进行查阅。

至此，就完成了全部的数据收发任务啦，当需要关闭串口时，只需要使用下面的函数，删除创建的对象即可。

delete(SerialObj);                        %通过删除对象来断开串口

最后再提及一下，为什么我都是使用的write以及read的uint8类型呢？一方面我们的应用环境还是数字的传输为主，字符串的传输这里并没有怎么涉及到。另一方面，逐个字节的收发，在我看来是更方便理解其中串口协议原理的，并且ASCII本身就是8位无符号数。

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首次尝试这样的写作方式，希望本篇文章能够给读者一些帮助，同时由于本人水平有限，如果有一些问题的话，请务必留言指出，我一定虚心接受！

这就是本期的全部内容啦，如果你喜欢我的文章，不要忘了点赞+收藏+关注，分享给身边的朋友哇~