基于Arduino的模拟与数字IO集成控制系统

资 源 简 介

该项目旨在建立一个高效的交互平台，利用MATLAB软件对连接至计算机的Arduino微控制器执行实时控制和数据采集。系统核心功能包括对Arduino模拟引脚的电压读取以及对数字引脚输入状态的监测。在模拟输入方面，该系统能够获取来自各类传感器（如电位计、光敏电阻、温度传感器等）的连续电压信号，并通过Arduino内置的模数转换器将其转化为数字信号传输至MATLAB。在数字输入方面，系统可实时检测按钮、限位开关或数字传感器产生的逻辑电平状态。 该项目的实现方法主要依赖于MATLAB提供的Arduino硬件支持

详 情 说 明

基于MATLAB与Arduino的模拟与数字I/O集成开发系统

项目介绍

本系统是一个基于MATLAB与Arduino硬件交互的高效集成平台，旨在简化底层硬件控制与上位机高级分析之间的衔接。通过该系统，用户能够实时采集Arduino微控制器的模拟引脚及数字引脚数据，并在图形界面中进行动态展示。项目充分利用了MATLAB强大的数值计算、统计分析以及图形可视化功能，实现了从数据获取、实时滤波处理到最终统计反馈的全流程自动化，广泛适用于科研数据记录、自动化测试原型设计及电子电路教学演示。

功能特性

1. 自动连接机制：支持自动识别或手动指定串口及板卡类型，实现与Arduino的快速通信。
2. 双路同步监测：并行采集一个模拟通道（如电压信号）与一个数字通道（如开关逻辑）的数据。
3. 实时信号处理：内置简单移动平均滤波器，能够有效滤除模拟信号中的高频噪声，获得平滑的电压走势。
4. 高性能动态可视化：采用双子图布局展示电压波形与逻辑状态，支持坐标轴自动滚动以维持最新的观察窗口。
5. 自动统计反馈：任务结束后自动计算并输出平均电压、峰值电压以及数字信号的逻辑跳变频率。
6. 全面的异常处理：通过内置的错误捕捉机制，针对硬件未连接或驱动缺失等问题提供明确的诊断提示。

使用方法

1. 硬件准备：将Arduino开发板（如Uno）通过USB电缆连接至计算机。
2. 硬件连接：根据脚本默认配置，将模拟传感器（如电位计）连接至A0引脚，将数字信号源（如按钮或限位开关）连接至D2引脚。
3. 软件配置：确保MATLAB中已通过附加功能管理器安装了Arduino硬件支持包。
4. 运行系统：在MATLAB命令行窗口中调用核心逻辑脚本。
5. 数据监测：观察实时生成的图形界面。上半部显示原始与滤波后的电压曲线，下半部显示逻辑状态。
6. 结果查看：脚本运行30秒（默认值）或手动关闭窗口后，系统将自动在命令行打印出采集到的统计数据摘要。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2014b或更高版本（需安装MATLAB Support Package for Arduino Hardware）。
2. 硬件环境：Arduino Uno、Mega或其他兼容开发板。
3. 通信链路：标准USB串口通信。

系统实现逻辑与关键函数分析

1. 硬件连接初始化：

系统利用arduino函数建立连接。如果端口配置为AUTO，系统会自动检测串口。连接成功后会向用户反馈成功信息，若失败则跳转至错误处理分支。

1. 数据存储结构：

系统采用预分配内存的方式初始化数组（包含时间序列、模拟原始数据、滤波数据和数字状态数据），以最大化处理效率，防止在循环中因数组增长导致运行变慢。

1. 实时采集循环：

系统核心由一个基于时间的while循环驱动。在这个循环内，不仅读取硬件状态，还同步执行数据处理与图形刷新任务。

1. 关键读取函数：

• readVoltage：用于从指定的模拟引脚（如A0）读取经ADC转换后的精确电压值。
• readDigitalPin：用于检测指定数字引脚（如D2）的逻辑电平，返回值为逻辑0或1。

1. 滤波算法实现：

系统实现了一个名为简单移动平均（Simple Moving Average, SMA）的实时算法。当采集点数达到预设的窗口大小（定为5个样本）时，计算当前点及其前4个点的平均值作为滤波输出。在点数不足时，则对所有已采集点取平均。

1. 图形显示优化：

• 子图布局：使用subplot将模拟电压和数字逻辑分开显示。
• 图形属性更新：为了保证流畅度，系统不重复绘制图形，而是使用set函数动态修改现有plot对象的XData和YData属性。
• 动态坐标轴：通过xlim函数实现5秒步进的滚动视图，使得用户始终能关注到最新的动态信号。
• 刷新速率控制：为了平衡CPU利用率和界面流畅度，系统设置了每两帧刷新一次UI，并通过pause控制循环步长。

1. 数据分析与清理：

采集循环结束后，系统利用diff函数检测数字序列中前后状态的变化，从而统计出信号跳变次数；同时利用mean和max函数计算电压指标。最后执行clear操作，断开与硬件对象的连接并释放系统资源。