基于MATLAB的数据实时采集与处理的实现_梁湘

０．引言ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ是现在流行的仿真软件。

ＭＡＴＬＡＢ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；ＳＩＭＵＬＩＮＫ是ＭＡＴＬＡＢ的常用组件，它是基于ＭＡＴＬＡＢ的语言环境下实现动态装置建模，仿真和分析的一个集成环境，支持连续、离散及两者混合的线性和非线性装置，也支持具有多种采样速率的多速率装置，被广泛的用于控制系统设计和系统仿真等诸多领域。

但是ＭＡＴＬＡＢ不能直接对硬件进行读写操作，从而影响了在控制系统仿真上的应用范围。

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对外界进行读写的通道，首先对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。

１．ＵＳＢ－ＣＡＮ转接卡的设计首先对于ＵＳＢＣＡＮ转接卡进行设计，以便于设计出的转接卡能作为通信通道，让ＭＡＴＬＡＢ能够通过ＵＳＢＣＡＮ转换模块采集ＣＡＮ总线上的数据，然后进行仿真。

在基于ＣＡＮ总线的控制系统中，作为下层网络的ＣＡＮ总线与计算机之间的通信以往是通过基于ＲＳ２３２接口、ＰＣ机上的ＩＳＡ总线和ＰＣＩ总线的通信适配卡来完成的。

这些种类的转接卡有传输速率较慢，设计复杂和不便于扩展等缺点。

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ＵＳＢ１．１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５Ｋｂｉｔ／ｓ～１Ｍｂｉｔ／ｓ范围内：ＵＳＢ总线标准：满足ＵＳＢ１．１协议的标准ＵＳＢ设备Ａ／Ｂ插座ＣＡＮ总线接口：ＤＢ９针型插座，符合ＤｅｖｉｃｅＮＥＴ和ＣＡＮｏｐｅｎ标准ＣＡＮ协议：支持ＣＡＮ２．０Ｂ协议（兼容ＣＡＮ２．０Ａ协议）供电方式：ＵＳＢ总线供电（＋５Ｖ）或者使用外接电源（＋９Ｖ～＋２５Ｖ，４００ｍＡ）运行环境：ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ转接卡的方案设计的思想是在已经存在的ＣＡＮ总线网络中增加一个数据采集节点，用来采集各个节点发来的的数据，再通过ＵＳＢ总线上传到ＰＣ机，进行分析过和存储等操作。

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。

同时，因为ＵＳＢ总线速度较快，并且是要从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网络上采集数据，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。

所设计的系统结构如下图１所表示：两路ＣＡＮＣＡＮ总线ＵＳＢ协议具有１．１和２．０两个版本。

从ＭＡＴＬＡＢ对数据进行读写出发，并且处于ＣＡＮ总线所能提供的速率限制，ＵＳＢ协议１．１版本已经能满足我们所需要的性能要求。

ＵＳＢ１．１提供两种数据传输速率，低速传输为１．５Ｍｂｐｓ，全速传输为１２Ｍｂｐｓ，并支持所有ＵＳＢ的特性，如热插拔、具有统一的设备标准以及可以连接多个设备等。

ＣＡＮ总线目前有ＣＡＮ协议２．０Ａ和ＣＡＮ协议２．０Ｂ两个版本。

本次设计所选用的单片机和ＣＡＮ网络控制芯片均可支持ＣＡＮ协议２．０Ａ和ＣＡＮ协议２．０Ｂ两个版本。

图１ＵＳＢＣＡＮ转接卡的总体设计本设计选用８９ＣＳ５２作为单片机来对ＣＡＮ控制芯片和ＵＳＢ控制芯片操作。

８９ＣＳ５２是ＡＴＭＥＬ公司生产的低电压，高性能的单片机，兼容８０Ｃ５１构架。

选择ＳＪＡ１０００做ＣＡＮ总线控制芯片。

这款芯片是一个由飞利浦公司生产的独立的ＣＡＮ控制器，它在汽车和普通的工业应用上都具有较为先进的特征。

它能适合多种应用，特别是在系统优化、诊断和维护方面，并且能和支持８０Ｃ５１构架的单片机兼容。

选择ＰＣＡ８２Ｃ２５０作为ＣＡＮ总线接口芯片，这款芯片专为ＣＡＮ总线进行差分通信而设计。

根据设计要求，ＵＳＢＣＡＮ转接卡应该直接能与ＰＣ机相连接，再与ＣＡＮ总线进行通信。

对比ＵＳＢ协议三层设备：主机（ＨＯＳＴ），集线器（ＨＵＢ）和设备（ＮＯＤＥ），ＰＣ机作为主机，ＵＳＢＣＡＮ转接卡是作为最下面一个级别：设备（ＮＯＤＥ），只需要与其相连而不需要再作为ＨＵＢ接入其它ＵＳＢ设备。

所以需要挑选的是能够在充当设备（ＮＯＤＥ）的芯片，这款芯片应该可以与５１系列单片机相连通，并且支持ＵＳＢ协议１．１版本。

市场上此类控制芯片主要有两种，一种是将单片机（ＭＣＵ）集成到ＵＳＢ芯片上，代表如ＥＺ－ＵＳＢＦＸ２；另一种是纯粹的ＵＳＢ接口芯片，如ＰＤＩＵＳＢＤ１２。

考虑到前文提出的设计指标等因素，本文选择了飞利浦公司的ＰＤＩＵＳＢＤ１２芯片。

ＰＤＩＵＳＢＤ１２是一款性价比很高的ＵＳＢ器件，广泛的采用与许多ＰＣ机的外设。

硬件设计完成后，对于固化在单片机ＲＯＭ中的程序进行设计。

单片机ＲＯＭ中的程序主要采用中断驱动。

它将ＵＳＢ总线和ＣＡＮ总线上的数据请求都当作中断处理，在相应的中断处理程序中再将所采集到的数据转发到另外一个总线。

最后对于转接卡的驱动程序进行设计。

驱动程序采用Ｗｉｎｄｏｗｓ体系下ＷＤＭ驱动程序模型。

在这种模型下，对于ＵＳＢ设备来说，驱动程序可以分为ＵＳＢ底层驱动程序和ＵＳＢ功能驱动程序。

ＵＳＢ底层驱动程序在实际运行中对实际硬件进行操作，实现了复杂的底层通信；ＵＳＢ功能驱动程序则一般由设备开发者编写，逻辑位置位于ＵＳＢ底基于ＭＡＴＬＡＢ的数据实时采集与处理的实现梁湘（同济大学机械工程学院中国上海２０００９２）【摘要】本文的利用ＵＳＢ与ＣＡＮ两种技术的优点设计了通信转接卡，提高整个网络的通信质量。

接下来，采用该转接卡作为ＭＡＴＬＡＢ与ＳＩＭＵＬＩＮＫ环境下实时仿真的通信转接卡，进行ＭＡＴＬＡＢ环境下对ＣＡＮ总线数据的实时采集、处理与仿真功能，完成ＭＡＴＬＡＢ与ＳＩＭＵＬＩＮＫ下对控制系统的仿真和实时控制，为类似的通信转接卡的研究提供一定的参考。

【关键词】ＵＳＢ－ＣＡＮ转接卡；半实物平台；ＭＡＴＬＡＢ；ＳＩＭＵＬＩＮＫＴｈｅＲｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＲｅａｌ－ｔｉｍｅＲｅａｄｉｎｇａｎｄＷｒｉｔｉｎｇｉｎＭＡＴＬＡＢＬｉａｎｇＸｉａｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２）【Ａｂｓｔｒａｃｔ】ＴｈｅｐａｐｅｒｔａｋｅｓａｄｖａｎｔａｇｅｏｆＣＡＮ－ｂｕｓａｎｄＵＳＢ－ｂｕｓｔｏｄｅｓｉｇｎＵＳＢＣＡＮａｄａｐｔｅｒ．Ｔｈｅａｄａｐｔｅｒｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｎｅｔｗｏｒｋ’ｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ，ｔｈｅｐａｐｅｒｔａｋｅｓＵＳＢＣＡＮａｄａｐｔｅｒａｓａｃｈａｎｎｅｌｗｉｔｈｗｈｉｃｈＭＡＴＬＡＢｃａｎｃｏｌｌｅｃｔｄａｔａｆｒｏｍＣＡＮ－ｂｕｓ．Ｉｎｔｈｉｓｗａｙ，ＭＡＴＬＡＢｃａｎｃｏｌｌｅｃｔ，ｈａｎｄｌｅａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｄａｔａｉｎｒｅａｌｔｉｍｅ．层驱动之上，不对实际硬件进行操作，而是通过向底层驱动程序发送包含ＵＳＲ（ＵＳＢＲｅｑｕｅｓｔＢｌｏｃｋ，ＵＳＢ请求块），来实现对ＵＳＢ设备信息的发送与接受。

ＵＳＢＣＡＮ转接卡的驱动程序包含有如下功能转接卡驱动程序初始化；创建和删除转接卡；处理Ｗｉｎｄｏｗｓ程序的句柄操作，读与写请求；对转接卡的访问，实现设备操作；处理电源管理，卸载硬件操作等。

２．ＭＡＴＬＡＢ外部函数接口简介虽然ＭＡＴＬＡＢ具有良好的扩展性以及强大的数据分析和处理能力并且拥有一个完整的、功能齐全的编程环境，但是某些情况下，与外部环境的数据和程序进行实时交换是非常重要的。

但是，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，并马上得到结论的环境。

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总线上的数据进行读写。

例如在ＭＡＴＬＡＢ对数据进读写的方案设计中，ＭＡＴＬＡＢ需要能第１节对ＵＳＢＣＡＮ转接卡设计的基础上调用驱动程序。

但是ＭＡＴＬＡＢ并不能够识别转接卡的驱动程序。

所以，整个方案的问题在于如何使得ＭＡＴＬＡＢ与ＵＳＢＣＡＮ转接卡进行通信，通过其实现对硬件端口的读写操作，最终实现在ＭＡＴＬＡＢ与ＳＩＭＵＬＩＮＫ环境中进行实时仿真与控制。

并且在Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下用户不能直接访问硬件，只能通过与驱动程序进行通信访硬件，所以必须使得ＭＡＴＬＡＢ与ＵＳＢＣＡＮ转接卡驱动程序进行通信。

首先对ＭＡＴＬＡＢ１外部函数接口进行介绍。

ＭＡＴＬＡＢ应用程序接口（ＡＰＩ）主要包括３部分：ＭＥＸ文件（外部程序调用接口）、Ｍａｔ文件（数据输入输出接口）和ＭＡＴＬＡＢ计算引擎函数库。

它们实现的一般功能分别为：１）在ＭＡＴＬＡＢ环境中调用Ｃ／Ｃ＋＋语言等语言编写的程序，以提高数据处理效率；２）向ＭＡＴＬＡＢ环境传送数据或从ＭＡＴＬＡＢ环境接收数据，即实现ＭＡＴＬＡＢ系统与外部环境的数据交换；３）在ＭＡＴＬＡＢ和其他应用程序间建立客户机与服务器关系，将ＭＡＴＬＡＢ作为一个计算引擎，在其他应用程序中调用从而降低程序设计的工作量。

因为目的是使用ＭＡＴＬＡＢ对ＵＳＢＣＡＮ转接卡进行数据的采集，对控制系统进行实时仿真与控制，所以采用ＭＥＸ文件较为方便。

ＭＥＸ文件经过编译后，可以作为一个ＭＡＴＬＡＢ的内建函数来调用，并且这个函数可以与驱动程序进行通信，完成对硬件端口信号的读写操作。

ＭＥＸ文件是ＭＡＴＬＡＢ调用别的语言编写的程序或算法的接口。

ＭＥＸ文件使得ＭＡＴＬＡＢ可以直接调用与Ｃ／Ｃ＋＋、ＦＯＲＴＲＡＮ语言编写的算法和例程。

通过编写符合接口规范的Ｃ＋＋语言的程序，然后用ＭＥＸ文件调用与编译动态链接库，以子函数或者子过程的形式提供给ＭＡＴＬＡＢ，就可以实现其对硬件的读写。

如下图所表示：图２ＭＥＸ文件的读写流程３．ＭＥＸ文件的编写ＭＥＸ文件是一种动态链接的子程序，就如同Ｗｉｎｄｏｗｓ中的ＤＬＬ文件一样，并且能像ＭＡＴＬＡＢ的内建函数一样，能被ＭＡＴＬＡＢ的解释器根据调用命令自动地装入和执行。

ＭＥＸ的文件使用十分类似于ＭＡＴＬＡＢ的内建函数。

在ＭＡＴＬＡＢ中，对于ＭＥＸ文件是优先执行的。

也就是说，如果同时存在文件名分别是ＭＥＸ、ＤＬＬ和Ｍ的文件，则ＭＡＴＬＡＢ会优先执行ＭＥＸ文件。

ＭＡＴＬＡＢ在调用ＭＥＸ文件时候，除了运行速度略快一些外，其他方面与Ｍ文件差别不大。

对于ＭＡＴＬＡＢ来说，ＭＥＸ文件的功能很广泛：用Ｃ／Ｃ＋＋等程序编写的函数和子程序，能够被编译成ＭＥＸ文件的形式后，能够被ＭＡＴＬＡＢ中函数直接调用，而不用重新编写相应的Ｍ文件。