基于MFC的旋转倒立摆上位机控制系统设计与实现

陶翔翔 范硕 王志明

摘要：该文主要介绍旋转倒立摆系统上位机的设计方法，使用通信控件MSComm与下位机通信，实现对旋转倒立摆的启停控制、状态监测以及PID參数设置。文章在Win10环境下基于VS2015进行MFC应用程序开发，详细介绍了应用程序的基本框架以及软件的界面资源，阐释了典型消息响应函数的实现方法，最后显示了上位机与串口调试助手的通信结果。

关键词：旋转倒立摆；上位机；MFC；串口通信

中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1009-5039（2018）17-0269-04

倒立摆系统是一个复杂的、不稳定的非线性系统，对倒立摆系统的研究能有效反映控制中的许多经典问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。通过对倒立摆系统的研究，不仅可以解决控制中相关理论和技术实现问题，还能将控制理论所涉及的三个基础学科：力学、数学和电学有机地结合起来，在倒立摆系统中进行综合应用[1]。

本文主要介绍旋转倒立摆系统上位机的设计方法，使用通信控件MSComm[2]与下位机通信，实现对旋转倒立摆的启停控制、旋转角度的监测，同时对系统的PID参数进行设置。详细介绍了应用程序的基本框架以及软件界面的资源组成，选取了典型的消息响应函数进行介绍，还将上位机与串口调试助手的通信结果显示出来。

1 旋转倒立摆系统结构

1.1 控制系统硬件结构

旋转倒立摆的结构如图1所示。电动机A固定在支架B上，通过转轴F驱动旋转臂C旋转。摆杆E通过转轴D固定在旋转臂C的一端，当旋转臂C在电动机A驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆E在垂直于旋转臂C的平面作自由旋转。

1.2 控制系统软件结构

旋转倒立摆上位机利用MFC进行应用程序开发，通过串口与下位机进行通信，实现系统启停控制、PID参数设置、角度数据显示。下位机采用51单片机，由角位移传感器测量得到摆杆旋转角度送入到控制器中，计算PID控制律并转化为电压信号提供给驱动芯片，来驱动直流电机转动，从而带动旋臂在水平面内旋转，最终实现控制摆杆直立的效果。

2 旋转倒立摆上位机控制系统设计

2.1 基于MFC的控制软件框架

MFC是微软公司提供的一个类库，以C++类的形式封装了Windows API，并且包含一个应用程序框架，为软件开发者完成了一些例行化的工作，比如各种窗口、工具栏、菜单的生成和管理等，极大的提升编程的效率。

使用MFC开发向导ClassWizard创建基于对话框的应用程序，项目生成后，即产生了属于倒立摆系统的InvertedPendulum对象，生成CpendulumApp类和CpendulumDlg类，CpendulumApp类中包含CpendulumDlg类成员变量。

最基本的应用程序框架由此建立起来，应用程序通过定义，初始化，由Winmain开始，注册、创建、显示窗口、消息响应，直到程序终止，结束运行周期。

2.2 界面设计

2.2.1 界面资源

上位机界面包含控件类型有Combobox、Button、Radio-button、Edit Control，主要用作通信协议设置框，系统启动及停止控制按钮，PID参数设置按钮，接收发送数据按钮，接收发送数据显示框以及波形显示框。

上位机设计中所涉及的主要的控件如下表，包括控件的用途、类型以及控件ID。

接着在对话框中添加串行口通信控件MSComm[3]，它封装了许多实现串行口通信的函数。插入该控件，便可调用它提供的函数，而无须直接对接口硬件进行操作，从而方便地实现计算机与外部设备的串行通信。

采用事件驱动法，即每当计算机俘获新字符，或者端口状态改变，或者接受到故障信息时，MSComm控件触发OnComm事件，工作原理类似于中断方式[4]。而应用程序在捕获该事件后，通过检查MSComm控件的ComEvent属性可以获知事件或故障，从而采取相应的操作。这种方法的特点是程序响应及时可靠性高，适应于中断频率不太高的串行口通信。

2.2.2 界面消息响应函数

为对应的控件添加消息响应函数，通过消息响应机制同时响应多个任务。当用户进行了输入或是窗口的状态发生改变时，系统发送消息到窗口，所有产生的消息被放入消息队列中，根据优先级执行相应程序。由此，为控件添加了消息响应函数之后，就可以通过操作控件执行目标任务。

下面详细介绍下绘制坐标轴、响应接收事件并绘制摆杆角度波形的消息响应函数。

（1）OnPaint消息响应函数

在响应WM_PAINT消息的函数OnPaint中绘制坐标轴，由此在需要重绘波形时即可利用WM_PAINT消息重绘坐标轴区域覆盖之前的波形，在此基础上更新角度数据波形。

在OnPaint函数内，首先定义CPaintDC类的对象DCWave，通过这个对象就可以使用CDC类的成员函数完成波形区中的图形绘制操作；接着定义CRect结构rectWave，在后续的坐标轴绘制中可以通过CRect类的方法，获取区域的具体信息，如顶点、高和宽。

用编辑框IDC_Wave的GetClientRect函数将矩形大小写入rectWave中，然后获取IDC_Wave的句柄，调用CDC的成员函数FillSolidRect填充rectWave坐标区；接着获取rectWave的宽和高，利用DCWaved的成员函数MoveTo和LineTo绘制绘图区外边框以及坐标轴边框；通过计算得到坐标轴线，同样通过前面的划线命令绘制坐标轴；最后利用DCWave的成员函数TextOut把坐标轴刻度写在相应的位置。

绘成的坐标区如上图所示，纵坐标为角度数值，范围为0-360°，由于MSComm控件为事件驱动，接收到数据才会刷新波形，因此横坐标为在波形区显示的角度数据的组数，方便观察。

（2）OnComm消息响应函数

通过串行口通信控件MSComm，利用事件驱动方法与下位机进行通信。在串口接收缓冲区中有字符或一个字符到达，再或者是一个变化发生时，控件触发OnComm事件。

每当接收事件发生时，首先利用InvalidateRect函数使坐标轴区域rectWave无效，再使用UpDateWindow将WM_PAINT直接发送到绘图区，立即触发OnPaint响应函数，重绘坐标轴。

接着通信控件的成员函数get_Input读取缓冲区，然后将缓冲区的字符每三个为一组的ASCII码值拼成一个十进制整型的角度数值显示在最新数据框IDC_RecLatest中，同时将这个角度数值转换成字符型数据更新在接收历史框IDC_Rec中。

最后在波形区域rectWave，利用MoveTo和LineTo成员函数绘制角度数据的波形。为了动态显示波形，每次更新波形时，将之前的波形左移，最新的数据更新在上一个数据的波形右侧，在不断接收角度数据和更新波形时产生整个波形动态左移、新数据从右侧补充进来的效果。

2.3 串口通信

串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议。串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。本文中串口用于ASCII码字符的传输。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验位[5]。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配。

串口的通信协议由下位机规定，具体规则如下：

（1）上位机发送给下位机的命令和下位机返回的数据必须以结尾，作为校验位。

（2）通信的波特率为11520bps，数据位为8位，无停止位，无奇偶校验。

3 通信结果

控制界面实现以下人机交互功能[6]：

（1）串口初始化

利用MSComm控件初始化串口号、波特率，设置缓冲区一个字符引发事件，打开串口；

（2）倒立摆的启停控制

通过点击“启动”和“停止”按钮控制旋转倒立摆系统启动和停止工作；

（3）PID参数设置

在上位机界面中输入想要设置的PID参数，点击“发送数据”按钮，下位机接收并设置系统参数，控制旋转倒立摆；

（4）倒立摆的角度数据显示

下位机采集旋转倒立摆的角度数据，发送给上位机，上位机将数据直接显示在编辑框，同时以波形的形式显示出来。

将上位机与串口调试助手进行通信，通信结果如下：

上位机点击“启动”，“停止”按钮发送启停命令，串口调试助手接收显示如图：

在PID输入框中输入数值，点击“发送数据”按钮，串口调试助手接收显示如图：

串口调试助手发送一组角度数值，上位机接收后显示在接收历史框和最新数据框中，同时在波形区绘制出角度数据的波形：

4 总结

本文主要介绍了旋转倒立摆系统上位机的设计方法，实现了对旋转倒立摆的启动和停止控制、摆杆角度的监测以及系统PID参数的设置。对于实现倒立摆控制系统的观测有较大的实践意义。

参考文献：

[1] 张建海.单片机控制的二级倒立摆系统的研究[D].河北工业大学，2005.

[2] 龙灏，丁旭玲.基于Windows API函数的串口通讯程序设计[J].电子世界，2015（19）.

[3] 蔣萍花，张楠.数据采集系统串口通信的设计与实现[J].电子测量技术，2015（6）.

[4] 陈曙光.利用ActiveX控件实现对计算机串口的通信管理[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2000，3.

[5] 黄晖，柴剑勇，严兴， 等.串口通信技术[J].科技创新导报，2010（27）.

[6] 王超.基于单片机的分布式果品贮藏远程监控系统[J].中国农机化学报，2016（4）.