VC串口通信的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

　　1 引 言

　　串行通訊是計(jì)算機(jī)與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)經(jīng)常使用的方法之一,他具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,使用靈活方便,數(shù)據(jù)傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn),因而在工業(yè)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用.

　　高速串口數(shù)據(jù)采集軟件的設(shè)計(jì)不同于普通串口通信,其要求在接收數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)送大量數(shù)據(jù)的同時(shí)完成對(duì)已接受到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ),如果處理不好二者之間的關(guān)系,會(huì)造成數(shù)據(jù)的缺失甚至程序的崩潰.這就要求應(yīng)用程序能夠同時(shí)處理兩件以上不同的任務(wù).Win32是基于線程的搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng),使得應(yīng)用程序能夠同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù),即在一個(gè)進(jìn)程中可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程.一個(gè)線程是指程序的一條執(zhí)行路徑,系統(tǒng)不停的在多個(gè)線程之間切換.由于時(shí)間很短,看上去多個(gè)線程在同時(shí)運(yùn)行.對(duì)于通訊這種需要花費(fèi)大量時(shí)間來測(cè)試I/O操作,同時(shí)又要保持響應(yīng)用戶其它操作的應(yīng)用程序來說,創(chuàng)建多線程是最佳選擇.

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示.中央控制PC機(jī)是系統(tǒng)的核心,要求數(shù)據(jù)采集軟件具有良好的穩(wěn)定性和兼容性.所以獨(dú)立設(shè)計(jì)了一套基于Visual C++ 6.0的多線程通訊軟件,它與前端的掃描儀串口通信是典型的主從式,在硬件上通過MOXA公司的串口卡實(shí)現(xiàn)500K波特的采集速率.

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　　3 用MSComm控件實(shí)現(xiàn)高速串口數(shù)據(jù)采集的問題

　　MSComm控件在串口編程時(shí)非常方便,程序員不必花時(shí)間去了解較為復(fù)雜的API函數(shù),只需要在串口通信資源的屬性(Properties)一項(xiàng)中配置串口,串口通信的波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)、奇偶校驗(yàn)、發(fā)送緩沖區(qū)大小、接收緩沖區(qū)大小以及超時(shí)設(shè)置等均在此時(shí)進(jìn)行配置.完成串口配置之后即可打開串口,進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫.

　　對(duì)于一般數(shù)據(jù)交換及串口通信來說,MSComm控件完全能夠滿足要求.但由于控件本身對(duì)于接收緩沖區(qū)大小設(shè)置的限定,為高速數(shù)據(jù)采集軟件的設(shè)計(jì)帶來了麻煩.如果接收緩沖區(qū)不能滿足設(shè)計(jì)的要求,當(dāng)緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)達(dá)到消息響應(yīng)值并響應(yīng)存儲(chǔ)命令時(shí),而新采集的數(shù)據(jù)傳輸速度大于已接收到數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)速度,就會(huì)造成接收緩沖區(qū)的溢出,直接導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰.這一點(diǎn)在程序設(shè)計(jì)初期深有體會(huì).

　　在程序設(shè)計(jì)時(shí)也嘗試當(dāng)緩沖區(qū)達(dá)到閾值響應(yīng)消息時(shí),在消息響應(yīng)中啟動(dòng)一個(gè)新的線程,先將緩沖區(qū)中接收到的數(shù)據(jù)取出到新開辟的內(nèi)存單元中,再進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ).程序可以運(yùn)行,但出現(xiàn)了新的問題,即有的數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)發(fā)生丟失.分析產(chǎn)生這種數(shù)據(jù)丟失的原因,還是由于控件本身對(duì)于接收緩沖區(qū)大小設(shè)置的限定.

　　4 程序設(shè)計(jì)創(chuàng)新

　　4．1多線程程序設(shè)計(jì)思想

　　在32位Windows系統(tǒng)中,術(shù)語(yǔ)多任務(wù)是指系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程,而每個(gè)進(jìn)程也可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)線程.進(jìn)程就是應(yīng)用程序的運(yùn)行實(shí)例.每個(gè)進(jìn)程都有自己私有的虛擬地址空間,每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)主線程,但可以建立另外的線程.進(jìn)程中的線程是并行執(zhí)行的,每個(gè)線程占用CPU的時(shí)間由系統(tǒng)來劃分.

　　可以把線程看作是操作系統(tǒng)分配CPU時(shí)間的基本實(shí)體,系統(tǒng)不停的在各個(gè)線程之間切換,它對(duì)線程的中斷是匯編語(yǔ)言級(jí)的.系統(tǒng)為每一個(gè)線程分配一個(gè)CPU時(shí)間段,某個(gè)線程只有在分配的時(shí)間段內(nèi)才有對(duì)CPU的控制權(quán).

　　進(jìn)程中所有的線程共享進(jìn)程的虛擬地址空間,這意味著所有線程都可以訪問進(jìn)程的全局變量和資源.這一方面為編程帶來了方便,但另一方面也容易造成沖突.雖然在進(jìn)程中進(jìn)行費(fèi)時(shí)的工作不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的掛起,但會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程本身的掛起.所以,如果進(jìn)程即要進(jìn)行長(zhǎng)期工作,又要響應(yīng)用戶的輸入,那么它可以啟動(dòng)一個(gè)線程來專門負(fù)責(zé)費(fèi)時(shí)的工作,而主線程仍然可以與用戶進(jìn)行交互.由此可見,利用Win32的重疊I/O操作和多線程特性,可以編出高效的通信程序.

　　高速串口數(shù)據(jù)采集軟件的特點(diǎn)是接收數(shù)據(jù)的速度要求很高,接收數(shù)據(jù)量很大,而控制掃描儀發(fā)送的命令字?jǐn)?shù)據(jù)量很小.根據(jù)這些特性,可以在程序中創(chuàng)建一個(gè)輔助工作者線程專門來監(jiān)視串行口的輸入.由于寫串口的數(shù)據(jù)量不大,不會(huì)太費(fèi)時(shí),所以在主線程中完成寫端口的任務(wù)是可以的,不必另外創(chuàng)建線程.

　　4． 2多線程程序設(shè)計(jì)

　?、贁?shù)據(jù)采集程序流程 根據(jù)多線程程序的開發(fā)思想,該數(shù)據(jù)采集軟件由負(fù)責(zé)人機(jī)交互的多線程和對(duì)串口進(jìn)行處理的后臺(tái)輔助線程組成.主線程是數(shù)據(jù)采集程序的管理者,用來初始化串口(通過調(diào)用Win32 API函數(shù)),自定義通信事件消息,創(chuàng)建、刪除輔助線程,進(jìn)行人機(jī)交互的操作及協(xié)調(diào)好各線程的運(yùn)行.程序流程如圖2所示.

　?、诤笈_(tái)輔助線程分析 后臺(tái)輔助線程是數(shù)據(jù)采集軟件的核心，包括串口監(jiān)視線程，讀線程。串口監(jiān)視線程在后臺(tái)對(duì)串口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，當(dāng)監(jiān)視到預(yù)定義的事件時(shí)，立即調(diào)用相應(yīng)的線程進(jìn)行處理并向主線程發(fā)相應(yīng)的消息，如接收到數(shù)據(jù)就調(diào)用讀線程自動(dòng)接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，同時(shí)向主線程發(fā)送接收到數(shù)據(jù)的消息，串口監(jiān)視線程發(fā)送完此消息后就執(zhí)行后面的程序代碼，繼續(xù)對(duì)串口進(jìn)行監(jiān)視，做到了處理消息與監(jiān)視串口兩不誤，即保證了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，又避免了資源的浪費(fèi)，其處理過程如圖3所示。

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　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　多線程技術(shù)能很好地解決各種邏輯并發(fā)和物理并發(fā)問題，使軟件的各項(xiàng)性能指標(biāo)均有所改善，如吞吐量、計(jì)算速度、響應(yīng)時(shí)間等，提高了軟件的執(zhí)行效率和系統(tǒng)資源的利用率，同時(shí)也大大提高了程序的可讀性和穩(wěn)定性。

　　利用多線程技術(shù)，解決了高速串口數(shù)據(jù)采集軟件編程中遇到的問題，運(yùn)行結(jié)果良好，可供廣大同行參考。

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