最近有越來越多做電氣的小伙伴開始學習C#來做上位機開發，很多人在學習一段時間后，都有這種感覺，似乎學到了很多知識，但是不知道怎么應用，因此我找了一個真實的上位機小項目，讓大家來練練手。這篇文章主要對這個項目案例及開發過程做個整體介紹。
1. 項目案例介紹
很多人對單片機有一種特殊的情懷，總是感覺單片機很神秘或很復雜。單片機簡稱MCU，即Micro Control Unit，是將CPU、存儲器（RAM和ROM）、多種IO接口等集成在一塊芯片上，形成一個芯片級計算機，可以這么說，在我們的生活和工作中，單片機無處不在。
單片機MCU的使用分為兩種，一種是單片機開發，就是嵌入式開發，一般采用C語言編程，另一種是單片機應用，比如和單片機進行通信控制，而作為上位機開發人員，我們更多偏向於后者，上位機按照既定的協議對單片機實現控制。控制系統的使用者是操作人員，他們不可能去直接操作單片機，因此上位機的職責是將單片機和操作人員聯系起來，通過UI界面給操作人員提供展示和控制，再將指令傳遞給單片機來執行動作，最終形成一套完整的控制系統。
本案例是一個基於單片機的串口通信案例，主要是通過上位機來實現對電機的速度控制，並顯示電機實時速度。調速模式會有多種，包括電機正轉、電機反轉、電機正反轉、雙向混沌、單向混沌五種模式。
2. MCU協議分析
針對五種調速模式的描述如下所示：
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| 調速模式 | 調速說明 |
|---|---|
| 電機正轉 | 發送一個大於0的速度給單片機 |
| 電機反轉 | 發送一個小於0的速度給單片機 |
| 電機正反轉 | 發送一個速度正負值及換速時間給單片機 |
| 單向混沌 | 隨機或手動生成N個的隨機正數，定時發送給單片機 |
| 雙向混沌 | 隨機或手動生成N個隨機自然數，定時發送給單片機 |
從上面的描述，我們可以看出，調速的本質都是發送報文給單片機，不同的調速模式影響的是發送的數值和發送的頻率，因此上位機和單片機之間必須要約定協議，協議如下所示：
| 功能命令 | 協議格式 | 備注 |
|---|---|---|
| 電機正轉 | S+速度值+； | 速度值必須為正數，如S+40； |
| 電機正轉 | S+速度值+； | 速度值必須為負數，如S-40； |
| 電機正反轉 | T+時間+S+速度值+； | 時間為換速時間，如T5+-40; |
| 單向混沌 | S+速度值+; | 速度值為正數，生成隨機數，定時發送 |
| 雙向混沌 | S+速度值+; | 速度值為自然數，生成隨機數，定時發送 |
| 速度反饋 | V+速度值+； | 返回的速度值，如V+40； |
| 速度清零 | S+速度值+； | 速度值設為0，即S+0;或者S-0; |
協議規定：單片機與上位機之間的通信格式為：波特率9600，數據位8，停止位1，校驗位無，設定速度范圍為10-300rpm，反饋速度范圍為0-1000rpm，換算時間范圍為1-10秒，通信編碼格式為ASCII。
上位機開發功能要求：
- 與單片機之間的連接提示及斷開提示
- 可以自由選擇通訊端口
- 調試模式可以隨時調整
- 混沌模式隨機數支持自動生成和人為輸入/復制粘貼
- 支持換速時間快速設置
- 支持實時速度顯示並可控
- 支持實時數據寫入並可控
- 支持發送命令可存儲、可追溯
- 軟件打開時保持上次關閉時的狀態
3. 上位機界面設計
根據開發功能要求，整體設計界面如下圖所示：
當選擇雙向混沌或者單向混沌時，會彈出混沌值設置界面，支持自動生成及手動輸入，如下圖所示：
4. 上位機功能實現
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首先創建一個Windows窗體應用項目，項目名稱為thinger.com.MCUPro。
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將單片機的協議封裝成一個類MCULib，便於后續直接調用，該類應該具備建立連接、斷開連接、設定速度、接收速度的功能。
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日志顯示功能：日志顯示采用ListView進行顯示，綁定一個ImageList用來區分信息、報警、錯誤，添加日志方法的參數包含日志等級及日志內容。
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建立連接和斷開連接：這里通過單按鈕實現建立連接和斷開連接2個功能。
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設置目標轉速：設置目標轉速僅對電機正轉、電機反轉及電機正反轉這三種模式有效。
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速度清零：速度清零時要判斷當前模式是否處於混沌模式，如果處於混沌模式，要先將定時器停止，否則直接發送速度為0的命令就行了。
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混沌模式：當調速方式切換到混沌模式時，將啟用一個定時器，該定時器周期與換速時間一致，定時向MCU中發送速度指令，速度值來源於一個集合，該集合將通過一個子窗體獲取，因此單向混沌與雙向混沌的區別在於集合的不同。
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混沌速度設置：混沌值設置在一個獨立的窗體中實現，可以通過手動添加、隨機添加或手動輸入的方式，速度值之間通過空格分割，如果手動輸入時，需要注意速度范圍。
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混沌模式定時發送：混沌模式下如果定時器開啟，將從集合中逐個取出數據發送到MCU中，取完之后停止定時器。
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數據接收處理：數據接收處理方法也是委托的原型方法，將讀取的字節數組轉換成字符串進行解析，解析獲取到實際轉速后，判斷是否進行速度顯示，如果需要進行速度顯示，則將數據添加到Chart控件中，再判斷是否需要寫入文件，如果需要寫入文件，將實時數據寫入到CSV文件中。
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實時數據寫入：本案例的實時數據存儲采用CSV的方式，第一次寫入時，會自動創建時間及標題欄，后面不斷地追加數據。軟件會在每次開啟或者重啟寫入文件時，自動按照當前時間創建一個新的文件，因此需要編寫一個寫入CSV的通用方法。
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軟件打開時保持上次關閉時的狀態：這個功能的實現的思路是通過配置文件來實現，在每次軟件關閉時，將相關信息以配置文件的形式存儲起來，當軟件運行時，再次從配置文件中進行讀取，由於參數較多，因此采用實體類的方式，也是便於后續擴展。
5. 寫在最后
這個項目整體來說難度不是很大，但是很具有代表性，非常適合上位機初學者來練手。很多初學者學習最大的問題就是手頭沒有實際項目，大家可以把這個當做一個實際項目來練手。
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