郭 宇，陳年生，方曉平

(湖北師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 湖北 黃石 435002)

0 引言

自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步使得實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)用，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)是系統(tǒng)中重要的部分，這個(gè)過程直接影響控制質(zhì)量和生產(chǎn)效率，因此對(duì)定時(shí)器精度和實(shí)時(shí)性要求相當(dāng)高，工業(yè)控制軟件定時(shí)精度需達(dá)到毫秒級(jí)。

在以往DOS操作系統(tǒng)中，用戶可以容易且精確地控制采樣精度，這得益于對(duì)硬件的直接操作?，F(xiàn)在主流的Windows操作系統(tǒng)，提供了豐富的圖形界面，人機(jī)交互友好，使用方便，用戶卻難以對(duì)底層硬件進(jìn)行直接操作。另外，Windows是一個(gè)基于消息機(jī)制的操作系統(tǒng)，各個(gè)應(yīng)用程序都有自己的消息隊(duì)列[1]，這樣可能會(huì)帶來諸如低優(yōu)先級(jí)消息不能得到及時(shí)響應(yīng)等問題。PLC廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制，現(xiàn)擬對(duì)某PLC中D寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣。在Windows環(huán)境使用Visual Studio開發(fā)工具編寫PLC數(shù)據(jù)采集的上位機(jī)軟件，通過視窗和操作系統(tǒng)來完成定時(shí)任務(wù)，這樣對(duì)實(shí)時(shí)性就提出了挑戰(zhàn)，以下將著重介紹軟件中使用的兩種定時(shí)器。

1 兩種定時(shí)器

1.1 WM_TIMER定時(shí)器

WM_TIMER定時(shí)器是Windows操作系統(tǒng)自帶的一種定時(shí)器，使用起來方便簡(jiǎn)單，因此也經(jīng)常被使用。

其實(shí)現(xiàn)原理是先由SetTimer()函數(shù)在內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)定時(shí)器，并在參數(shù)中設(shè)置好定時(shí)間隔，每當(dāng)達(dá)到設(shè)定時(shí)間，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出一個(gè)WM_TIMER消息，并由相應(yīng)的響應(yīng)函數(shù)(回調(diào)函數(shù))去做處理。定時(shí)器使用完后由KillTimer()函數(shù)釋放。

相關(guān)函數(shù)如下：

1)SetTimer() 創(chuàng)建定時(shí)器；

2)OnTimer() 消息響應(yīng)函數(shù)，由用戶編寫處理事件的代碼；

3)KillTimer() 中止定時(shí)器，釋放定時(shí)器資源。

對(duì)SetTimer()函數(shù)作如下說明：

UINT_PTR SetTimer(

UINT_PTR nIDEvent.

//nIDEvent是定時(shí)器編號(hào)ID，倘若有多個(gè)定時(shí)器，可通過ID識(shí)別

UINT nElapse,

//用戶設(shè)定的時(shí)間間隔，以ms為單位

TIMERPROC lpTimerFunc

//回調(diào)函數(shù)

);

其中最后一個(gè)參數(shù)lpTimerFunc是處理定時(shí)器消息的回調(diào)函數(shù)，在這個(gè)函數(shù)里面由程序設(shè)計(jì)人員添加處理事件的代碼。這個(gè)參數(shù)也可以設(shè)為NULL，此時(shí)將使用系統(tǒng)默認(rèn)的響應(yīng)函數(shù)OnTimer()。

在Visual Studio 2010環(huán)境中，使用類向?qū)蒓nTimer()函數(shù)：在類視圖中右擊需要定時(shí)器的類，選擇“類向?qū)А?，在彈出來的?duì)話框中的“消息”選項(xiàng)卡下選擇“WM_TIMER”，點(diǎn)擊“添加處理程序”，這樣類中就會(huì)自動(dòng)生成OnTimer()函數(shù)。程序人員在該函數(shù)中添加實(shí)現(xiàn)功能的代碼，每隔設(shè)定的時(shí)間都會(huì)執(zhí)行一次該函數(shù)，本例就是在OnTimer()函數(shù)中添加采集PLC內(nèi)D寄存器數(shù)據(jù)的代碼，其流程如圖1所示。

圖1 WM_TIMER定時(shí)器采集數(shù)據(jù)的程序框圖

VS2010作為開發(fā)工具，在對(duì)話框類中實(shí)現(xiàn)定時(shí)器功能：

1)在啟動(dòng)按鈕中創(chuàng)建定時(shí)器

void CDDataDlg::OnBnClickedStart()

{

// TODO: 在此添加控件通知處理程序代碼

...

SetTimer(1,200,NULL);

}

2)數(shù)據(jù)采集，使用類向?qū)ё詣?dòng)生成

void CDDataDlg::OnTimer(UINT_PTR nIDEvent)

{

// TODO: 在此添加消息處理程序代碼/或調(diào)用默認(rèn)值

...

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的代碼

...

}

3)在結(jié)束按鈕中關(guān)閉定時(shí)器，釋放資源

void CDDataDlg::OnBnClickedEnd()

{

// TODO: 在此添加控件通知處理程序代碼

KillTimer(1);

}

1.2 多媒體定時(shí)器

微軟公司在其多媒體Windows中提供了精確定時(shí)器的底層API(應(yīng)用程序編程接口)支持，相對(duì)于WM_TIMER定時(shí)器，多媒體定時(shí)器的設(shè)計(jì)要稍顯復(fù)雜，但是精度更高。

使用多媒體定時(shí)器需要包含頭文件Mmsystem.h，其接口函數(shù)位于mmsystem.dll的動(dòng)態(tài)鏈接庫中，多媒體計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)包括以下函數(shù)：

1)timeGetDevCaps() 獲取定時(shí)器所支持的最大和最小精度，不同的PC機(jī)由于硬件配置的不同獲取的精度范圍可能有所差異；

2)timeBeginPeriod() 設(shè)置定時(shí)器的定時(shí)精度，其參數(shù)可由timeGetDevCaps()函數(shù)獲?。?/p>

3)timeEndPeriod() 清除定時(shí)器精度，釋放定時(shí)器資源；

4)timeKillEvent() 刪除定時(shí)器事件。

5)MMRESULT timeSetEvent(

UINT uDelay,

//以毫秒設(shè)定定時(shí)周期

UINT wAccuracy,

//以毫秒指定延時(shí)的精度，默認(rèn)值為1ms

LPTIMECALLBACK lpTimeProc,

//回調(diào)函數(shù)，用戶自定義，定時(shí)調(diào)用

DWORD dwUser,

//存放回調(diào)數(shù)據(jù)

UINT fuEvent

//指定定時(shí)器事件類型：

//TIME_ONESHOT：uDelay毫秒后只產(chǎn)生一次事件

//TIME_PERIODIC：每隔uDelay毫秒周期性地產(chǎn)生事件

);

該函數(shù)設(shè)置一個(gè)定時(shí)回調(diào)事件，此事件可以是一個(gè)一次性事件或者是周期性事件。事件一旦被激活，即調(diào)用指定的回調(diào)函數(shù)，成功則返回事件的標(biāo)識(shí)符代碼，否則返回NULL.

6)static VOID CALLBACK TimeProc() 回調(diào)函數(shù)是由開發(fā)者自己編寫的周期性執(zhí)行的函數(shù)?；卣{(diào)函數(shù)可以定義為相應(yīng)的類成員函數(shù)或者全局函數(shù)。C++的類成員都有一個(gè)自動(dòng)隱藏的私有成員this指針，如果回調(diào)函數(shù)定義為類的普通成員函數(shù)，函數(shù)類型與CALLBACK函數(shù)預(yù)設(shè)類型不相同。這時(shí)要定義為靜態(tài)類型，屏蔽this指針，然而靜態(tài)成員函數(shù)只能訪問靜態(tài)成員，不便操作，所以，回調(diào)函數(shù)一般定義為全局函數(shù)[2]。

在使用多媒體定時(shí)器時(shí)，將需要周期性循環(huán)執(zhí)行的任務(wù)定義在 lpTimeProc回調(diào)函數(shù)中(定時(shí)采樣、控制等)，通過調(diào)用timeSetEvent()函數(shù)觸發(fā)回調(diào)函數(shù)，完成所需處理的任務(wù)。定時(shí)器使用完畢后，應(yīng)及時(shí)調(diào)用timeKillEvent()釋放。如圖2所示，簡(jiǎn)要概括了使用多媒體定時(shí)器的基本流程。

圖2 多媒體定時(shí)器采集數(shù)據(jù)的程序框圖

Visual Studio 2010為開發(fā)工具，使用多媒體定時(shí)器對(duì)PLC內(nèi)D寄存器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，主要步驟和代碼如下：

1)包含頭文件，定義全局變量

#include 'Mmsystem"

#pragma comment(lib, "Winmm.lib")

HWND hWnd;//窗口句柄

UINT uTimerID;//定時(shí)器句柄

UINT uResolution;//定時(shí)器分辨率

在BOOL CDDataAquisitionDlg::OnInitDialog()中添加代碼：

hWnd=this->m_hWnd;

2)定義回調(diào)函數(shù)，用于處理需要周期性執(zhí)行的任務(wù)，即采集數(shù)據(jù)

static VOID CALLBACK ProFunc(UINT uTimerID, UINT uMsg, DWORD dwUser, DWORD dw1, DWORD dw2)

{

...

采集數(shù)據(jù)

...

}

3)啟動(dòng)定時(shí)器，觸發(fā)2)中回調(diào)函數(shù)

BOOL TimerStart(UINT &wAccuracy,UINT uDelay,UINT &TimerID,LPVOID fptc,DWORD dwUser)

{

TIMECAPS tc;

if(timeGetDevCaps(&tc,sizeof(TIMECAPS))==TIMERR_NOERROR)

{

//分辨率的值不能超出系統(tǒng)的取值范圍

wAccuracy = min(max(tc.wPeriodMin,1),tc.wPeriodMax);

//設(shè)置定時(shí)器的分辨率

timeBeginPeriod(wAccuracy);

}

else

return FALSE;

//啟動(dòng)定時(shí)器

TimerID=timeSetEvent(uDelay,wAccuracy,(LPTIMECALLBACK)fptc,dwUser,TIME_PERIODIC);

if(TimerID==0) return FALSE;

return TRUE;

}

4)關(guān)閉定時(shí)器，釋放定時(shí)器資源

void TimerEnd(UINT uTimerID,UINT &uResolution)

{

//刪除定時(shí)事件

timeKillEvent(uTimerID);

if(lpuPeriod != NULL)

//清除定時(shí)器分辨率

timeEndPeriod(uResolution);

}

2 兩種定時(shí)器的比較

支持WM_TIMER定時(shí)器的底層硬件中斷頻率是18.2Hz，即每隔至少54.945ms中斷一次。我們知道，Windows是一個(gè)基于消息機(jī)制的搶占式操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)給每個(gè)應(yīng)用程序都建立一個(gè)消息隊(duì)列，而且消息隊(duì)列中常有大量的消息等待處理[3]，一旦系統(tǒng)資源緊張或者CPU被占用，隊(duì)列中的消息將被掛起，不能得到實(shí)時(shí)響應(yīng)。另外，WM_TIMER消息的優(yōu)先級(jí)很低，排在其他消息(WM_PAINT除外)之后響應(yīng)，一個(gè)消息隊(duì)列中只允許有一個(gè)WM_TIMER消息，倘若遇到系統(tǒng)繁忙處理一個(gè)消息超時(shí)，后面產(chǎn)生的多個(gè)相同ID的消息會(huì)合并成一個(gè)，所以該定時(shí)器對(duì)消息的處理在數(shù)目上可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，時(shí)間上甚至出現(xiàn)“丟秒”的現(xiàn)象。顯然WM_TIMER定時(shí)器不適用于精度要求較高的控制系統(tǒng)中，但是WM_TIMER定時(shí)器使用起來很方便，而且相當(dāng)安全，可以在定時(shí)函數(shù)中進(jìn)行幾乎任何操作也不用擔(dān)心死機(jī)的問題。即使出現(xiàn)處理超時(shí)的情況，也不會(huì)引起系統(tǒng)崩潰。

多媒體定時(shí)器的工作原理和WM_TIMER定時(shí)器不同，多媒體定時(shí)器并不依賴消息機(jī)制，而是提供硬件中斷服務(wù)，并且Windows提供了高精度定時(shí)器的底層API支持。timeSetEvent()函數(shù)產(chǎn)生獨(dú)立的線程，直接調(diào)用回調(diào)函數(shù)，不存在消息隊(duì)列和優(yōu)先級(jí)的問題，是一種理想的高精度定時(shí)器，最小精度可以達(dá)到1ms。在使用多媒體定時(shí)器的過程中要注意：定時(shí)器線程結(jié)束前不可再次啟動(dòng)定時(shí)器，這樣容易迅速出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象[4]。任務(wù)處理的時(shí)間不能大于周期間隔時(shí)間，不然會(huì)引起程序崩潰。定時(shí)器是系統(tǒng)資源，使用完畢之后應(yīng)該釋放，分辨率也要清除，以免降低系統(tǒng)響應(yīng)的速度。

最后，通過在Visual Studio中設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)做形象對(duì)比，建立單文檔的MFC工程，在View類中作圖，使條帶長度從0開始隨時(shí)間而動(dòng)態(tài)增加，可在任意時(shí)刻執(zhí)行暫停，同時(shí)生成條帶圖形并讀取長度。在程序中添加多個(gè)WM_TIMER定時(shí)器和多媒體定時(shí)器。實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)定時(shí)器都設(shè)置一個(gè)時(shí)間間隔(可更改)，擬使每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)條帶的長度都增加1個(gè)單位長度。當(dāng)時(shí)間間隔設(shè)置的很小，只有十幾毫秒甚至一毫秒時(shí)，從圖3可以看出，WM_TIMER定時(shí)器對(duì)時(shí)間間隔的差異并不敏感，可見這些時(shí)間間隔不在其定時(shí)精度范圍，而多媒體定時(shí)器卻十分精準(zhǔn)，精確到1ms.當(dāng)時(shí)間間隔達(dá)到幾百毫秒或者秒級(jí)時(shí)，如圖4所示，兩種定時(shí)器幾乎沒有差異。此實(shí)驗(yàn)在不同的機(jī)型上測(cè)試過，如Intel奔騰雙核，主頻2.5GHz的長城電腦和Intel酷睿i5，主頻為3.1GHz的啟天M4350等，都有相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

綜上所述，WM_TIMER定時(shí)器實(shí)現(xiàn)過程較為簡(jiǎn)單、安全，主要用于對(duì)定時(shí)要求不高，采樣周期較長的系統(tǒng)中；而多媒體定時(shí)器可以用于精度要求較高，采樣周期較短的控制系統(tǒng)中。

圖3 定時(shí)間隔只有幾毫秒時(shí)兩種定時(shí)器對(duì)比

圖4 定時(shí)間隔幾百毫秒時(shí)兩種定時(shí)器對(duì)比

3 結(jié)束語

編寫此上位機(jī)軟件的目的是對(duì)PLC內(nèi)D寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，在開發(fā)過程中，先是選擇了WM_TIMER定時(shí)器，使用很方便，用于采樣周期較長(幾百毫秒)的任務(wù)時(shí)，還是有著良好的效果。若是遇到精度要求較高，采樣周期只有幾毫秒的任務(wù)，就必須使用多媒體定時(shí)器完成任務(wù)。本文兩種定時(shí)器的設(shè)計(jì)方法均在當(dāng)前流行的Visual Studio 2010中調(diào)試通過，并且在具體應(yīng)用中切實(shí)可行。

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