基于MATLAB的BD/GPS模擬器界面顯控軟件設

李銀虎 王 帥 古泉穎

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

MATLAB 是 matrix laboratory (矩陣實驗室)的縮寫，是1984 年由美國Mathworks 公司推出的一套高性能的數值計算、工程應用軟件，它將矩陣運算、數值分析、圖形處理、編程技術結合在一起，為用戶提供了一個強有力的分析、計算和程序設計工具，非常適合用來編寫大型工程計算、科學仿真程序代碼[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，這種場合下的應用，使MATLAB像VC,C#等軟件一樣，可以實現復雜而友好的人機交互。

PC機的特點是具有較強的數據顯示、分析處理能力、很好的人機界面和大容量的存儲功能。本文以PC機為上位機，設計基于MATLAB的顯控軟件，實現了與BD/GPS衛星信號模擬器主機的通信。

1 MATLAB圖形用戶界面（GUI）簡介

MATLAB早期以矩陣運算為主，但隨著科學計算可視化的需求，MATLAB 在第4 版推出了句柄圖形，自此之后，MATLAB的圖形界面設計功能也日益完善。如今，MATLAB 已成為集數值計算、符號運算和圖形處理功能為一身的科學計算語言，滿足了不同領域用戶的需求。

從MATLAB 6.x版開始，它的圖形用戶界面設計功能有了很大提高，利用它可以方便地實現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象，如圖形窗口、菜單、對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，用戶可以和計算機之間進行信息交流，并通過編寫控件的回調函數（Callback），完成特定的功能。

在MATLAB 中創建圖形用戶界面有兩種方法[3，4]。一種是在 M 腳本文件和函數文件中直接利用句柄圖形指令建立各個控件對象并設置其屬性；另一種方法是利用 MATLAB 提供的圖形化界面設計向導（GUIDE）開發環境。采用第一種方法建立用戶界面工作量大，控件屬性設置、修改繁瑣，一般需要設計者有豐富的經驗。而采用GUIDE 開發環境進行用戶界面設計操作方便、效率高，可以達到所見即所得的編程效果，利用這個開發環境，可以在很短時間內設計出一個GUI。

從Matlab6.0版本開始，Matlab軟件中增加了設備控制工具箱，提供了對RS一232通信標準的串口通信的支持，負責上下位機之間的通信。

設備控制工具箱有如下特點[3]：

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

（2）通信數據支持二進制和文本(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）支持基于事件驅動的通信。

從以上MATLAB設備控制工具箱的特點可以看到，MATLAB可以滿足實現串行通信的要求。

2 設計方案

（1）GUIDE設計向導。通過GUIDE設計一個完整的GUI ，需分為兩個階段完成[4]。

第一個階段：圖形界面的結構設計階段。利用設計向導構造整個圖形界面的布局，合理設計菜單、安排控件位置等，并進行必要的屬性設計。

第二個階段：功能設計階段。為菜單、控件編寫相應的回調函數(Callback)，具體實現界面的各種功能。

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)）的用戶界面選項時，就會出現工作臺（LayoutEditor）界面，如圖1 所示。

在其中可以拖放需要的控件并設置窗口和各個控件的屬性，雙擊控件，就可以打開控件屬性編輯器，進行控件屬性設置，如圖2所示。

常用的屬性有：

①Tag 屬性的取值是一個字符串，用來標記控件的名字，在進行程序設計時，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存在的字符串。

其他還有字體設置，控件位置等等。在設計中，首先要根據需求，設計出總體方案，要考慮有幾個輸入參數，用到幾個文本框控件（text）、幾個編輯框控件(edit)，幾個按鈕（pushbutton）等等。并把各控件的位置用鼠標拖動、排列成一個合適的布局。

圖1 圖形用戶界面設計向導

圖2 控件屬性編輯器

（2）顯控軟件系統方案。軟件設計方案可劃分為三個階段：

第一階段：在MATLAB/GUI軟件中創建用戶界面.根據用戶的需求，設置相應的BD/GPS模擬器參數包括的星歷參數，設定初始時間、速度、位置（經度、緯度、高度）、用戶軌跡生成。衛星的通道，通道參數等回顯信息。如圖3所示。

圖3 GUI用戶輸入設計

第二階段：MATLAB/GUI實現串口通信。通過GUI串口編程，將所定義的場景數據進行打包，然后按照一定的通信協議送給BD/GPS衛星信號模擬器主機，BD/GPS衛星信號模擬器主機實時地傳回各通道衛星信號狀態信息。串口通信設計架構如圖4所示。

圖4 MATLAB與模擬器串口通信

第三階段：數據顯示及分析。對用戶終端存儲的數據進行分析、處理，并顯示測試結果，即對第二階段存儲的衛星信號模擬器上傳給MATLAB數據和BD/GPS接收機數據進行處理，根據顯示信息分析結果。

第四階段：向下位機下發場景文件，實現主機啟動。從官網下載星歷文件，用UltraEdit軟件將星歷文件按一定的數據格式和處理形成場景文件。然后通過MATLAB讀取文件下發給下位機，實現主機的運行，顯控軟件的任務就完成了。

3 串口通信與界面設計

本設計的通信端口模塊的主要完成場景文件和數據幀的傳送，包括選擇通信的端口, 設置端口的波特率、數據位、停止位和奇偶校驗。例如BD/GPS模擬器和上位機之間通信的波特率為115200等設置[5,6]。

本應用軟件中使用了串口的收發功能, 發端是連接MATLAB上位機端口，下發場景文件；收端是連接衛星信號模擬器后，向上位機傳送數據幀，其作用是軟件和硬件的橋梁。

在用串口對象讀寫數據前，必需先通過數據fopen將串口對象和設備相連。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函數前設置好的。我們可以用一下的語句來測試或驗證連接狀態。一旦串口對象和設備連接成功，就可以讀寫數據系統界面。

本設計采用中斷的方式，可以設置當串口檢測到輸入緩存中到達了字符個數來觸發串口中斷，也可以設置時間來觸發串口中斷。首先對串口進行初始化串口初始化配置串口對象屬性，判斷物理接口是否連接，然后等待中斷，在中斷回調函數處理數據對象[7]。

圖5是設計的串口的端口設置模塊，圖6是完成的整個軟件運行情況。

圖5 通信端口設置模塊

圖6 顯控系統主界面

4 小結

利用MATLAB 的圖形用戶界面（GUI）設計功能，可以開發出很友好的交互式圖形界面，可以很快設計一個參數輸入界面，可以使數據處理快速、靈活、直觀、高效，可以迅速開發出滿足各種需要的界面友好的數據處理軟件。本文設計的顯控軟件可以很好地與主機完成串口通信，實現對BD/GPS衛星信號模擬器的控制與信息顯示。

[1]陳懷琛.MATLAB及其在理工課程中的應用指南[M].西安:西安電子科技大學出版社,2000.

[2]張志涌.精通MATLAB6.5版[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[3]焦勇,周喻虹.基于 MATLAB 的快速圖形化數據處理軟件設計[J].電子科技,2005,7:40-42.

[4]余承依.基于MATLAB 數值計算的GUI 設計[J].漳州師范學院學報(自然科學版),2004,17(4):38-40.

[5]李彥,盧虎. 基于MATLAB的GUI技術在電子教學中的應用[J].電氣電子教學學報,2000,22(3):77-79

[6]張立材.基于MATLAB環境的串行數據通信[J].微計算機信息,2004,20(3):100-101

[7]向先波,徐國華,張琴.MATLAB環境下PC機與單片機的串行通信及數據處理[J].單片機與嵌入式系統應用,2004,(12):27-31.