劉平 賈林林

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009）

三種串口通訊方法的實現(xiàn)與比較

劉平 賈林林

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009）

一般測控設(shè)備在工作過程中，需要上位機(jī)與下位機(jī)之間不斷通訊，完成系統(tǒng)內(nèi)部指令的下發(fā)和數(shù)據(jù)信息上傳功能，通常的做法是通過串口進(jìn)行通訊。本文介紹3種常用的串口通訊方法，對每種方法的具體操作步驟進(jìn)行詳細(xì)的分析，并對各自的優(yōu)缺點進(jìn)行比較。實踐表明，使用多線程串口通訊技術(shù)在整個測試過程中既能夠滿足產(chǎn)品測試任務(wù)的需要，又能夠及時響應(yīng)串口事件，完美地解決了系統(tǒng)的邏輯并發(fā)和物理并發(fā)問題，滿足系統(tǒng)研制的需求。

串口通訊；單線程；多線程

在一般的測控設(shè)備工作過程中，當(dāng)對產(chǎn)品進(jìn)行測試時，需要設(shè)備的上位機(jī)和下位機(jī)之間保持通信，完成系統(tǒng)內(nèi)部的下發(fā)指令和上傳數(shù)據(jù)信息功能。為了滿足產(chǎn)品測試任務(wù)的并行性，并能夠及時響應(yīng)串口事件，通常的做法是采用多線程監(jiān)聽串口事件的設(shè)計方式。本文通過設(shè)計實例比較3種串口通訊方法的優(yōu)劣，為類似的設(shè)備研發(fā)提供一些有用的參考。

1 使用MicrosoftVisualC++提供的MSComm通信控件

MSComm是屬于Microsoft公司Visual C++提供的Active X控件，用于在簡化Windows下進(jìn)行串口通信編程。其提供了一系列的標(biāo)準(zhǔn)通信命令的接口，使得通過串口收發(fā)數(shù)據(jù)變得極為簡便［1］。MSComm控件提供了2種處理通信問題的方法。

1.1 串口活動法

由事件驅(qū)動通信，在處理串口活動方面具有很強(qiáng)大的功能。當(dāng)有事件發(fā)生時，利用OnComm事件捕獲和處理各種通信事件，以獲取該事件的發(fā)生時間，同樣該過程也可以通過捕獲和處理通信中錯誤的完成。

1.2 程序檢測法

常用于小型的自含程序，每當(dāng)用戶的應(yīng)用程序執(zhí)行完某一對串行通信接口的操作后，通過查詢CommEvent的屬性以便對該程序執(zhí)行結(jié)果或者某事件是否發(fā)生進(jìn)行確認(rèn)。圖1給出了Visual C++的MSComm控件具體操作步驟。

首先，通過添加控件的方式加入MSComm控件，并定義該控件類的對象。其次，初始化該控件的屬性，通過設(shè)置相應(yīng)的屬性，可以省去打開串口與關(guān)閉串口等操作，并且可以設(shè)置相應(yīng)的串口號、波特率、奇偶校驗位、數(shù)據(jù)停止位等參數(shù)。再者，捕捉串口事件既可以通過查詢的方法從端口獲取數(shù)據(jù)，也可以采用通過事件驅(qū)動的方法。當(dāng)有諸如接收數(shù)據(jù)之類的事件發(fā)生時通知程序，并由程序響應(yīng)捕獲的消息完成對前面發(fā)生的通信事件的處理，也就是通過串口事件消息處理函數(shù)OnComm()中完成操作，這種事件驅(qū)動方法應(yīng)用最為廣泛。最后，串口的讀寫分別通過GetInput()函數(shù)讀取接收緩沖區(qū)的字符，SetOutput()函數(shù)向發(fā)送緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)流的方式實現(xiàn)，極為簡單，這兩個函數(shù)的原型分別是使用VARIANT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的VARIANTGetput()及void SetOutput(const Variant& newValue)。

圖1 MSComm控件實現(xiàn)串口通訊流程圖

2 使用單線程實現(xiàn)串口通信類

Visual Studio中將串口虛擬成文件，所有的操作都模擬成對文件的讀寫，這樣程序有一個統(tǒng)一的編程界面，簡化了編程接口，同時文件的處理屏蔽掉了硬件的端口和地址等特征。使用虛擬的緩沖區(qū)代替了實際的硬件緩沖區(qū)，使得程序開發(fā)只需要單一地關(guān)注邏輯上的輸入與輸出關(guān)系。圖2給出了采用單線程方式完成串口通訊的步驟［2］。

2.1 打開串口并獲取串口資源句柄

在使用單線程方式進(jìn)行串口通信的整個過程中，始終存在一種動作，即程序在通過CreatFile()函數(shù)指定串口設(shè)備及相關(guān)的操作屬性后返回一個用于后續(xù)通信操作的句柄。同時，可在進(jìn)行函數(shù)參數(shù)設(shè)置時設(shè)計異步I/O通訊方式，保證半雙工通訊。

2.2 串口設(shè)置

單線程打開某一串口后，該端口屬性將被設(shè)置成默認(rèn)值，才是可以調(diào)用GetCommState（&dcb）函數(shù)讀取當(dāng)前串口設(shè)備控制塊DCB（Device Control Block），然后根據(jù)具體的需求，修改完DCB后再使用SetCommState（&dcb）函數(shù)將其寫入。

圖2 單線程串口通訊方式流程圖

在進(jìn)行同步讀寫時，應(yīng)注意操作超時，并對其進(jìn)行特殊控制，以防在通信過程中由于未知原因?qū)е虏豢深A(yù)測事件發(fā)生。這類事件包括端口正在接收數(shù)據(jù)突然被中斷或者發(fā)送數(shù)據(jù)突然停止等，這類情況有可能會造成I/O線程掛起或者線程被無限阻塞。因此，必須在程序中通過超時設(shè)置來判斷通信是否異常并決定是否作相應(yīng)處理，可以采用COMMTIMEOUTS結(jié)構(gòu)完成設(shè)置后調(diào)用SetCommTimeouts（hComm，&timeouts）將結(jié)果寫入。此外，在設(shè)置緩沖時，緩沖區(qū)容量應(yīng)與通信速率相匹配地進(jìn)行設(shè)置，較大的容量滿足更高的速率需求，但是應(yīng)在設(shè)備驅(qū)動程序所能處理的容量范圍限制以下。

2.3 串口讀寫

單線程串口通信方式主要通過運用包括ReadFile() 與WriteFile()等在內(nèi)的API函數(shù)完成串口讀寫。當(dāng)采用異步通信方式時，這兩個函數(shù)的最后一個參數(shù)為一非空指針并指向OVERLAPPED結(jié)構(gòu)，當(dāng)讀寫函數(shù)的返回值為FALSE時，程序調(diào)用GetLastError()函數(shù)；當(dāng)返回值為ERROR_IO_PENDONG時，則表明I/O操作被掛起，表明該操作將轉(zhuǎn)入后臺并等待執(zhí)行。在操作中可以使用WaitForS-ingleObject()函數(shù)等待結(jié)束信號，同時可以設(shè)置最長的等待時間。

3 多線程下實現(xiàn)串口通信

在某成像導(dǎo)引產(chǎn)品測控系統(tǒng)正常測試過程中，要求在圖像采集測試的同時保持串口通訊。比如隨時接收串口數(shù)據(jù)，處理相應(yīng)數(shù)據(jù)并發(fā)出控制命令；或者設(shè)備不斷地采集產(chǎn)品數(shù)據(jù)，并同時或者在設(shè)定的某一故障發(fā)生時向某個相關(guān)的監(jiān)控窗口及時發(fā)送通知消息，這些都需要在測控程序中創(chuàng)建用于監(jiān)控線程的端口。

Win32能夠區(qū)分2種不同類型的線程，分別稱之為用戶界面線程UI（User Interface Thread）和工作者線程（Worker Thread）［3］。2種線程的區(qū)別在于，用戶界面線程可在其他線程執(zhí)行之外響應(yīng)用戶或者系統(tǒng)所產(chǎn)生的事件和信息，其包含信息泵或者信息循環(huán)；而工作者線程則沒有消息機(jī)制與用戶界面，是在后臺執(zhí)行包括監(jiān)視串口事件在內(nèi)的各種計算和維護(hù)任務(wù)的。

程序開始某一個線程是通過調(diào)用AfxBeginThread()函數(shù)自動創(chuàng)建一個CWinThread對象的方式進(jìn)行的。圖3給出了多線程實現(xiàn)串口通訊流程圖［4］。

以下任意某一事件均可以終止線程：①線程函數(shù)返回；②線程函數(shù)的正常退出；③在異常情況下，使用線程的句柄調(diào)用TerminateThread()函數(shù)退出；④線程所屬的進(jìn)程被終止。

在本測控系統(tǒng)設(shè)計中，如果串口通訊線程出現(xiàn)錯誤，將調(diào)用TerminateThread()來強(qiáng)行結(jié)束線程。如果通訊正常，函數(shù)將正常返回。

在以后系統(tǒng)擴(kuò)展中，可能會有多個串口同時工作，可以分別對各個端口建立監(jiān)控線程來實現(xiàn)對所有端口的同時監(jiān)控，也可以將此設(shè)計方式應(yīng)用于分布式網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中，在此不再詳細(xì)介紹。

4 3種串口通信方法的優(yōu)缺點比較

Visual C++提供的MSComm控件在完成基于對話框應(yīng)用程序的串口通信任務(wù)方面，由于具有更為簡單的編程原理和方法，所以不需要了解具體的細(xì)節(jié)就可以容易實現(xiàn)。這樣帶來的負(fù)面作用是因為只能在對話框中使用，MSComm控件編程缺乏靈活性，限制了串口通信的傳輸速率。

單線程串口通信因為可以建立自定義的通信類，所以具有最高的靈活性，但是其編程復(fù)雜，對程序員的專業(yè)化程度要求很高，同時還只適用于監(jiān)控系統(tǒng)，而且由于不能同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，實時性不高，功能受到限制。

多線程串口通信方法具有較強(qiáng)的實時性，更為容易實現(xiàn)在多端口間獨立、準(zhǔn)確的通信，這樣使得該方法得到了更廣泛的應(yīng)用。同時，多線程能夠使程序員方便地榨取到更多的CPU硬件資源，提高整個系統(tǒng)的通訊效率。

圖3 多線程串口通訊流程圖

另外，當(dāng)系統(tǒng)中存在各種邏輯并發(fā)和物理并發(fā)問題時，多線程技術(shù)在解決掉這一類問題時更具有優(yōu)勢，這樣使得軟件的諸如吞吐量、計算速度和響應(yīng)時間等各項技術(shù)指標(biāo)均可以得到改善。多線程串口通信技術(shù)可以提高軟件的執(zhí)行效率和運行穩(wěn)定性，更合理地利用系統(tǒng)資源，并提高軟件代碼的可讀性。

某成像導(dǎo)引產(chǎn)品測控系統(tǒng)作為綜合性的復(fù)雜系統(tǒng)，數(shù)據(jù)需要通過多個串口在不同的子系統(tǒng)端口之間進(jìn)行獨立傳輸，而且對測試實時性有很高的要求。經(jīng)過驗證采用多線程編碼實現(xiàn)串口通訊功能能夠取得很好的效果。整個測控系統(tǒng)工作情況良好，在實際應(yīng)用中要注意每次讀完數(shù)據(jù)要及時清空緩沖區(qū)，否則會導(dǎo)致緩沖區(qū)堵塞，造成新數(shù)據(jù)無法接收的情況。

［1］Mark E.Russinovisn.Windows2000內(nèi)部揭秘［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［2］冀榮華，祁力鈞，傅澤田.基于Visual C++的精確定時技術(shù)與應(yīng)用［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2007（5）：191-193.

［3］張旭東，付強(qiáng)，何松華，等.基于PCI接口的多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.數(shù)據(jù)采集與處理，2000（2）：240-244.

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Implementation and Comparison of Three Serial Communication Methods

Liu PingJia Linlin
（China Airborne Missile Academy，Luoyang Henan 471009）

In the process of general measurement and control equipment,the communication between the host computer and the lower computer is needed to complete internal command down function and the data upload function, the usual practice is to communicate through the serial port.This paper introduced three kinds of commonly used serial communication method,the specific operation steps of each method were analyzed in detail,and their advantages and disadvantages were compared.Practice shows that the use of multi thread serial communication technology in the entire test process can not only meet the needs of product testing tasks,but also in response to serial port events, which solve the problem of logical concurrency and physical concurrency,and meet the requirements of system development.

serial communication；single thread；multithread

TP311.1

A

1003-5168（2017）04-0037-03

2017-03-06

劉平（1981-），男，工程師，研究方向：紅外導(dǎo)引總體技術(shù)。