劉艷群，朱莊生

（1.北京航空航天大學(xué) 慣性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191；2.北京航空航天大學(xué) 新型慣性技術(shù)儀表與導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京100191）

0 引 言

位置姿態(tài)測量系統(tǒng) （position and orientation system，POS）［1，2］主要由慣性測量單元 （inertial measurement unit，IMU）、全球定位系統(tǒng) （global position system，GPS）、POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng) （POS computer system，PCS）和后處理軟件組成［3］，因此POS系統(tǒng)是一個復(fù)雜且有大量數(shù)據(jù)信息傳遞和存儲的系統(tǒng)。從POS工程應(yīng)用背景的需求來說，需要對POS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，但要實(shí)現(xiàn)對POS系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控，首要解決是通信問題。監(jiān)控軟件常用監(jiān)控接口有串口、USB口、網(wǎng)口等。監(jiān)控軟件一般采用單一的接口作為監(jiān)控接口，但這種方式會導(dǎo)致監(jiān)控能力受到接口性能的限制。例如：串口數(shù)據(jù)傳輸速度和傳輸距離導(dǎo)致監(jiān)控軟件只能實(shí)現(xiàn)低速、短距離的監(jiān)控；以太網(wǎng)雖能實(shí)現(xiàn)高速、遠(yuǎn)距離監(jiān)控，但大數(shù)據(jù)量的傳輸會造成數(shù)據(jù)流阻塞和資源浪費(fèi)。

本文基于Windows Socket的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和MSComm串口通信原理，設(shè)計(jì)基于TCP/IP 協(xié)議的流式套接字的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和MSComm 串口監(jiān)控多線程通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對POS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸及系統(tǒng)的監(jiān)控，消除了單一監(jiān)控接口的弊端，充分利用了不同通信方式的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，具有很好的工程應(yīng)用價值。

1 多線程通信方法

1.1 POS系統(tǒng)

POS的基本工作原理如圖1所示，系統(tǒng)由IMU 和POS導(dǎo)航計(jì)算機(jī)兩大部分組成，POS導(dǎo)航計(jì)算機(jī)集成了系統(tǒng)供電單元、GNSS接收單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲單元等；IMU 由加速計(jì)、陀螺儀和溫度傳感器等各類傳感器構(gòu)成。利用IMU 可實(shí)時連續(xù)地測量載體的角速度和加速度信息，通過積分運(yùn)算可得載體的位置、速度和姿態(tài)等參數(shù)，但由于積分運(yùn)算會導(dǎo)致誤差的積累而引發(fā)導(dǎo)航結(jié)果的發(fā)散；GNSS單元通過獲取衛(wèi)星信號實(shí)時解算得到高精度的位置信息，但其數(shù)據(jù)更新率低；因此將兩者組合起來，綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，經(jīng)過平滑、事后差分等后處理，可以獲得更高精度的位置姿態(tài)信息。

圖1 POS的基本工作原理

由于POS應(yīng)用于各種載荷，POS接口也從單一的串口向多樣的、高速、可靠接口發(fā)展，目前POS 的接口資源有：串口RS－232、串口RS－422、CAN 口、以太網(wǎng)等。

由于串口RS－232和RS－422結(jié)構(gòu)簡單，編程簡易，已廣泛作為工業(yè)通信的一種手段。串口RS－232的最大傳輸距離約為15m，最大傳輸速率為460800b/s；串口RS－422的最大傳輸距離約為1200 多米，最大傳輸速率為10Mb/s。但串口RS－232、RS－422 通信的可靠性低，抗噪聲干擾性弱，以及其傳輸速度和傳輸距離的限制，使其通信能力受到嚴(yán)重的局限。

CAN 總線屬于工業(yè)現(xiàn)場總線，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。與一般的通信總線相比，CAN 總線網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時性強(qiáng)，通信速率最高可達(dá)1Mb/s，但傳輸距離與速率成反比例。CAN 總線適用于大數(shù)據(jù)量短距離或者長距離小數(shù)據(jù)量，實(shí)時性要求比較高的通信。

以太網(wǎng)通信是一種高速、可靠的通信方式，目前10、100Mb/s的快速以太網(wǎng)已開始廣泛應(yīng)用，1Gb/s以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟。且通信網(wǎng)絡(luò)具有更高的帶寬和性能，通信協(xié)議有更高的靈活性，是任何一種通信手段所無法比擬得。

根據(jù)各接口的特點(diǎn)，在POS中串口主要用于器件間的低速數(shù)據(jù)傳輸，如與監(jiān)控上位機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸；CAN 總線通信主要用于與載荷間的高速數(shù)據(jù)傳輸；以太網(wǎng)通信主要用于高速數(shù)據(jù)的存儲傳輸。本文提出一種多線線程的通信方案，采用以太網(wǎng)通信和串口通信并行使用，解決了高速數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時監(jiān)控的問題。

1.2 多線程通信設(shè)計(jì)總體方案

MFC中有兩類線程，分別稱之為用戶界面線程和工作者線程。用戶界面線程擁有自己的消息隊(duì)列和消息循環(huán)來處理界面消息，可以與用戶進(jìn)行交互；工作者線程沒有消息循環(huán)，一般用來完成后臺計(jì)算和維護(hù)任務(wù)。本文提出的多線程方法總臺方案是：在工作者線程中開啟一個以太網(wǎng)通信工作線程，利用Windows Socket 控件建立了基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)通信［4－7］，在軟件后臺運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)與POS系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)的傳輸；在用戶界面線程運(yùn)行串口通信線程，利用MSComm 控件設(shè)計(jì)串口通信［8－11］，實(shí)現(xiàn)與用戶的交互，實(shí)現(xiàn)對POS系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控；利用工作者線程與用戶界面線程擁有各自的消息響應(yīng)機(jī)制，不會產(chǎn)生干擾的特性，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)和串口并行通信?？傮w設(shè)計(jì)方案流程如圖2所示。

圖2 多線程通信設(shè)計(jì)流程

2 多線程通信設(shè)計(jì)

2.1 串口通信設(shè)計(jì)

MSComm 控件有兩種處理通信的方式，一種是事件驅(qū)動方式；另一種是定時或不定時查詢方式。本次設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)對POS系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控，因此對程序的實(shí)時性和速度要較高要求，所以本次設(shè)計(jì)選擇了事件驅(qū)動方式。串口通信設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

（1）對MSComm 控件的進(jìn)行初始化配置

將MSComm 控件通信端口設(shè)置為端口1；波特率為9600，無校驗(yàn)位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位；以二進(jìn)制方式接收數(shù)據(jù)；當(dāng)緩沖器有數(shù)據(jù)就觸發(fā)OnComm 事件；每次都將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)全部接收。

（2）編寫OnComm 事件處理函數(shù)

利用GetCommEvent（）函數(shù)獲取串口事件，當(dāng)返回值為2時表示緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)；將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)提取出來。

（3）利用SetPortOpen函數(shù)打開串口

BOOL CMSComm：：SetPortOpen （BOOL Value）

當(dāng)Value設(shè)置為TURE 時串口打開；設(shè)置為FALSE則串口關(guān)閉。

（4）利用函數(shù)通過串口向POS系統(tǒng)的下位機(jī)發(fā)送指令

2.2 以太網(wǎng)通信設(shè)計(jì)

Windows Socket支持兩種類型的套接字，即流式套接字 （SOCK ＿STREAM）和數(shù)據(jù)報(bào)套接字 （SOCK ＿DGRAM）。因?yàn)镻OS系統(tǒng)的復(fù)雜性，和考慮系統(tǒng)安全可靠性要求，本次設(shè)計(jì)采用的是流式套接字。且采用TCP/IP協(xié)議，上位機(jī)監(jiān)控軟件作為客戶端，POS系統(tǒng)作為服務(wù)器。以太網(wǎng)通信設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 以太網(wǎng)通信流程

（1）以太網(wǎng)初始化，加載套接字?jǐn)?shù)據(jù)庫，創(chuàng)建流式套接字，將套接字設(shè)為非阻塞模式。

（2）利用WSAAsyncSelect函數(shù)建立套接字的事件通知

（3）添加網(wǎng)絡(luò)事件處理函數(shù)OnSockt。

（4）利用connect函數(shù)創(chuàng)建與POS系統(tǒng)服務(wù)器的連接

2.3 多線程設(shè)計(jì)

多線程設(shè)計(jì)流程如圖2所示。串口通信界面線程位于主線程中，完成MSComm 控件的初始化后，就開啟串口通信界面線程，因此多線程的設(shè)計(jì)主要是針對以太網(wǎng)工作線程設(shè)計(jì)。

（1）創(chuàng)建Windows Socket工作線程的入口函數(shù)

DWORD WINAPI ThreadFun（LPVOID pThread）

創(chuàng)建工作線程時，首先要先建立線程的入口函數(shù)，當(dāng)工作線程被啟動后會轉(zhuǎn)入該函數(shù)，并且函數(shù)退出時工作線程就會結(jié)束。ThreadFun是入口函數(shù)名，也就是工作線程開始執(zhí)行時代碼所在的函數(shù)地址，pThread是工作線程傳遞的入口函數(shù)的參數(shù)。如2.1節(jié)所述WSAAsyncSelect函數(shù)實(shí)現(xiàn)套接字自主監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)事件的功能，一旦啟動該函數(shù)，將啟動一個網(wǎng)絡(luò)事件監(jiān)控的一個線程，因此若在主線程即界面線程中就調(diào)用該函數(shù)，則會與串口消息的OnComm 事件處理函數(shù)發(fā)生沖突，因此將在工作線程的入口函數(shù)調(diào)用WSAAsyncSelect函數(shù)，為其開辟另一個工作線程，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和串口通信的并行執(zhí)行。

（2）利用CreatThread函數(shù)創(chuàng)建Windows Socket工作線程

參數(shù)lpThreadAttributes用來決定線程句柄是否可以被子線程繼承，此處將其設(shè)為NULL，令返回的句柄不能被繼承；參數(shù)dwStackSize指定新線程的堆棧的大小，將其設(shè)為0，線程將與進(jìn)程的主線程堆棧相同；參數(shù)lpStartAddress是指向線程的入口函數(shù)，即2.3 節(jié) （1）中所建立的函數(shù)；參數(shù)lpParameter是線程傳遞給線程入口函數(shù)的參數(shù)；參數(shù)dwCreationFlags設(shè)為0，使得線程產(chǎn)生后立即執(zhí)行；參數(shù)lpThreadId用來存放返回線程ID。

（3）利用Terminate Thread函數(shù)終止線程

BOOL Terminate Thread （HANDLE hThread，DWORD dwExitCode）；

3 界面設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 界面設(shè)計(jì)

3.1.1 設(shè)計(jì)通信接口配置界面

界面由兩部分組成，一個是MSComm 串口通信配置；另一個是Windows Socket 套接字的配置。效果如圖5所示。

通過對相關(guān)參數(shù)的配置，實(shí)現(xiàn)了對MSComm 串口和Windows Socket套接字的初始化，只要啟動連接則建立了與POS系統(tǒng)的連接，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)監(jiān)控。

3.1.2 串口監(jiān)控主界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控界面由三大部分組成，一是系統(tǒng)的通信狀態(tài)顯示；二是系統(tǒng)的工作狀態(tài)顯示；三是系統(tǒng)的工作參數(shù)顯示。效果如圖6所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)采用北京航空航天大學(xué)研制的1.5代光纖POS系統(tǒng)，測試系統(tǒng)如圖7所示。

圖5 通信接口配置界面

圖6 串口監(jiān)控主界面

圖7 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測試結(jié)果：POS系統(tǒng)靜態(tài)測試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了，多方式通信并行性的可行性，上位機(jī)既能實(shí)時通過串口監(jiān)控POS系統(tǒng)的工作狀態(tài)，同時能通過網(wǎng)口實(shí)時存儲GPS接收機(jī)的實(shí)時衛(wèi)星導(dǎo)航結(jié)果數(shù)據(jù)。圖8和圖9是測試結(jié)果。

圖8 上位機(jī)實(shí)時串口監(jiān)控結(jié)果

圖9 網(wǎng)口實(shí)時存儲的衛(wèi)星導(dǎo)航結(jié)果數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文利用多線程方法，提出開辟工作線程，將以太網(wǎng)通信置于后臺運(yùn)行，避免了與界面線程的串口通信的沖突，因此實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)通信和串口通信并行通信。該方案有效的利用了網(wǎng)絡(luò)通信和串口通信各自的優(yōu)點(diǎn)，使得上位機(jī)既能實(shí)現(xiàn)與POS系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸，又能實(shí)現(xiàn)對POS系統(tǒng)監(jiān)控。但該方案還存在不足之處，這兩種通信方式只是獨(dú)自運(yùn)行，并未進(jìn)行數(shù)據(jù)交流共享，下一步可研究兩種通信方式的數(shù)據(jù)交換共享，充分利用數(shù)據(jù)信息，擴(kuò)展其功能。

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