基于MATLAB的BD/GPS模擬器界面顯控軟件設(shè)

李銀虎 王 帥 古泉穎

（1.深圳市中冀聯(lián)合通訊技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518057；2.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

MATLAB 是 matrix laboratory (矩陣實(shí)驗(yàn)室)的縮寫，是1984 年由美國Mathworks 公司推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算、工程應(yīng)用軟件，它將矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析、圖形處理、編程技術(shù)結(jié)合在一起，為用戶提供了一個(gè)強(qiáng)有力的分析、計(jì)算和程序設(shè)計(jì)工具，非常適合用來編寫大型工程計(jì)算、科學(xué)仿真程序代碼[1,2]。

而MATLAB的圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）功能可以方便用戶完成圖形化界面控制軟件，這種場(chǎng)合下的應(yīng)用，使MATLAB像VC,C#等軟件一樣，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而友好的人機(jī)交互。

PC機(jī)的特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)顯示、分析處理能力、很好的人機(jī)界面和大容量的存儲(chǔ)功能。本文以PC機(jī)為上位機(jī)，設(shè)計(jì)基于MATLAB的顯控軟件，實(shí)現(xiàn)了與BD/GPS衛(wèi)星信號(hào)模擬器主機(jī)的通信。

1 MATLAB圖形用戶界面（GUI）簡(jiǎn)介

MATLAB早期以矩陣運(yùn)算為主，但隨著科學(xué)計(jì)算可視化的需求，MATLAB 在第4 版推出了句柄圖形，自此之后，MATLAB的圖形界面設(shè)計(jì)功能也日益完善。如今，MATLAB 已成為集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)算和圖形處理功能為一身的科學(xué)計(jì)算語言，滿足了不同領(lǐng)域用戶的需求。

從MATLAB 6.x版開始，它的圖形用戶界面設(shè)計(jì)功能有了很大提高，利用它可以方便地實(shí)現(xiàn)圖形化窗口界面的交互方式。所謂圖形用戶界面，是指包含了各種圖形控制對(duì)象，如圖形窗口、菜單、對(duì)話框以及文本框等用戶界面，也稱為控件。利用這些用戶界面，用戶可以和計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行信息交流，并通過編寫控件的回調(diào)函數(shù)（Callback），完成特定的功能。

在MATLAB 中創(chuàng)建圖形用戶界面有兩種方法[3，4]。一種是在 M 腳本文件和函數(shù)文件中直接利用句柄圖形指令建立各個(gè)控件對(duì)象并設(shè)置其屬性；另一種方法是利用 MATLAB 提供的圖形化界面設(shè)計(jì)向?qū)В℅UIDE）開發(fā)環(huán)境。采用第一種方法建立用戶界面工作量大，控件屬性設(shè)置、修改繁瑣，一般需要設(shè)計(jì)者有豐富的經(jīng)驗(yàn)。而采用GUIDE 開發(fā)環(huán)境進(jìn)行用戶界面設(shè)計(jì)操作方便、效率高，可以達(dá)到所見即所得的編程效果，利用這個(gè)開發(fā)環(huán)境，可以在很短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出一個(gè)GUI。

從Matlab6.0版本開始，Matlab軟件中增加了設(shè)備控制工具箱，提供了對(duì)RS一232通信標(biāo)準(zhǔn)的串口通信的支持，負(fù)責(zé)上下位機(jī)之間的通信。

設(shè)備控制工具箱有如下特點(diǎn)[3]：

（1）支持基于串行接口(RS－232、RS－422、RS－485)、GPIB總線(IEEE2488、HPIB標(biāo)準(zhǔn))、VISA總線的通信；

（2）通信數(shù)據(jù)支持二進(jìn)制和文本(ASCII) 兩種方式,文本方式支持 SCPI ( standard commands for programmable instruments) 語言；

（3）支持異步通信和同步通信；

（4）支持基于事件驅(qū)動(dòng)的通信。

從以上MATLAB設(shè)備控制工具箱的特點(diǎn)可以看到，MATLAB可以滿足實(shí)現(xiàn)串行通信的要求。

2 設(shè)計(jì)方案

（1）GUIDE設(shè)計(jì)向?qū)?。通過GUIDE設(shè)計(jì)一個(gè)完整的GUI ，需分為兩個(gè)階段完成[4]。

第一個(gè)階段：圖形界面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段。利用設(shè)計(jì)向?qū)?gòu)造整個(gè)圖形界面的布局，合理設(shè)計(jì)菜單、安排控件位置等，并進(jìn)行必要的屬性設(shè)計(jì)。

第二個(gè)階段：功能設(shè)計(jì)階段。為菜單、控件編寫相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)(Callback)，具體實(shí)現(xiàn)界面的各種功能。

首先，在MATLAB 的命令窗口輸入指令guide，或者通過菜單操作新建 GUI，然后選擇建立新的空白（Blank GUI(Default)）的用戶界面選項(xiàng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)工作臺(tái)（LayoutEditor）界面，如圖1 所示。

在其中可以拖放需要的控件并設(shè)置窗口和各個(gè)控件的屬性，雙擊控件，就可以打開控件屬性編輯器，進(jìn)行控件屬性設(shè)置，如圖2所示。

常用的屬性有：

①Tag 屬性的取值是一個(gè)字符串，用來標(biāo)記控件的名字，在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用該名字來指定控件，一般不必修改。

②String 屬性為該控件顯示的字符串，通過編輯文本框，用戶可以方便的輸入或修改已經(jīng)存在的字符串。

其他還有字體設(shè)置，控件位置等等。在設(shè)計(jì)中，首先要根據(jù)需求，設(shè)計(jì)出總體方案，要考慮有幾個(gè)輸入?yún)?shù)，用到幾個(gè)文本框控件（text）、幾個(gè)編輯框控件(edit)，幾個(gè)按鈕（pushbutton）等等。并把各控件的位置用鼠標(biāo)拖動(dòng)、排列成一個(gè)合適的布局。

圖1 圖形用戶界面設(shè)計(jì)向?qū)?/p>

圖2 控件屬性編輯器

（2）顯控軟件系統(tǒng)方案。軟件設(shè)計(jì)方案可劃分為三個(gè)階段：

第一階段：在MATLAB/GUI軟件中創(chuàng)建用戶界面.根據(jù)用戶的需求，設(shè)置相應(yīng)的BD/GPS模擬器參數(shù)包括的星歷參數(shù)，設(shè)定初始時(shí)間、速度、位置（經(jīng)度、緯度、高度）、用戶軌跡生成。衛(wèi)星的通道，通道參數(shù)等回顯信息。如圖3所示。

圖3 GUI用戶輸入設(shè)計(jì)

第二階段：MATLAB/GUI實(shí)現(xiàn)串口通信。通過GUI串口編程，將所定義的場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，然后按照一定的通信協(xié)議送給BD/GPS衛(wèi)星信號(hào)模擬器主機(jī)，BD/GPS衛(wèi)星信號(hào)模擬器主機(jī)實(shí)時(shí)地傳回各通道衛(wèi)星信號(hào)狀態(tài)信息。串口通信設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 MATLAB與模擬器串口通信

第三階段：數(shù)據(jù)顯示及分析。對(duì)用戶終端存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，并顯示測(cè)試結(jié)果，即對(duì)第二階段存儲(chǔ)的衛(wèi)星信號(hào)模擬器上傳給MATLAB數(shù)據(jù)和BD/GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)顯示信息分析結(jié)果。

第四階段：向下位機(jī)下發(fā)場(chǎng)景文件，實(shí)現(xiàn)主機(jī)啟動(dòng)。從官網(wǎng)下載星歷文件，用UltraEdit軟件將星歷文件按一定的數(shù)據(jù)格式和處理形成場(chǎng)景文件。然后通過MATLAB讀取文件下發(fā)給下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)的運(yùn)行，顯控軟件的任務(wù)就完成了。

3 串口通信與界面設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的通信端口模塊的主要完成場(chǎng)景文件和數(shù)據(jù)幀的傳送，包括選擇通信的端口, 設(shè)置端口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。例如BD/GPS模擬器和上位機(jī)之間通信的波特率為115200等設(shè)置[5,6]。

本應(yīng)用軟件中使用了串口的收發(fā)功能, 發(fā)端是連接MATLAB上位機(jī)端口，下發(fā)場(chǎng)景文件；收端是連接衛(wèi)星信號(hào)模擬器后，向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)幀，其作用是軟件和硬件的橋梁。

在用串口對(duì)象讀寫數(shù)據(jù)前，必需先通過數(shù)據(jù)fopen將串口對(duì)象和設(shè)備相連。連接以后，一些屬性值是只是讀。如InputBufferSize及OutputBufferSize等，所以必須在使用fopen函數(shù)前設(shè)置好的。我們可以用一下的語句來測(cè)試或驗(yàn)證連接狀態(tài)。一旦串口對(duì)象和設(shè)備連接成功，就可以讀寫數(shù)據(jù)系統(tǒng)界面。

本設(shè)計(jì)采用中斷的方式，可以設(shè)置當(dāng)串口檢測(cè)到輸入緩存中到達(dá)了字符個(gè)數(shù)來觸發(fā)串口中斷，也可以設(shè)置時(shí)間來觸發(fā)串口中斷。首先對(duì)串口進(jìn)行初始化串口初始化配置串口對(duì)象屬性，判斷物理接口是否連接，然后等待中斷，在中斷回調(diào)函數(shù)處理數(shù)據(jù)對(duì)象[7]。

圖5是設(shè)計(jì)的串口的端口設(shè)置模塊，圖6是完成的整個(gè)軟件運(yùn)行情況。

圖5 通信端口設(shè)置模塊

圖6 顯控系統(tǒng)主界面

4 小結(jié)

利用MATLAB 的圖形用戶界面（GUI）設(shè)計(jì)功能，可以開發(fā)出很友好的交互式圖形界面，可以很快設(shè)計(jì)一個(gè)參數(shù)輸入界面，可以使數(shù)據(jù)處理快速、靈活、直觀、高效，可以迅速開發(fā)出滿足各種需要的界面友好的數(shù)據(jù)處理軟件。本文設(shè)計(jì)的顯控軟件可以很好地與主機(jī)完成串口通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)BD/GPS衛(wèi)星信號(hào)模擬器的控制與信息顯示。

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[5]李彥,盧虎. 基于MATLAB的GUI技術(shù)在電子教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2000,22(3):77-79

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