金剛石合成控制系統中多串口通信技術的設計與實現

關鍵詞：串口通信；面向對象方法；多線程；PLC

１　引言

傳統的金剛石合成機控制系統是由一個ＰＬＣ和一個可顯示終端構成。這種傳統的控制系統一般具有如下缺點：

(１) 系統所有的工作都由ＰＬＣ完成，其控制精度較差，致使合成的金剛石質量較差；

(２) 顯示終端的平面尺寸過小，這一方面使得操作人員觀察系統的狀態很不方便，另一方面?也常常會引起誤操作；

(３) 金剛石合成工藝復雜，需控制的參數很多，但原控制系統不能對參數進行保存，這樣在根據不同產品和工藝要求對部分參數進行調整時，每次都必須重新設置所有的參數，操作非常麻煩；

（４） 界面不友好；

（５）不能通過控制系統自動考核操作人員的工作質量。

為了提高控制精度、方便操作，開發新的控制系統迫在眉睫。筆者針對以上問題，將ＩＰＣ與ＰＬＣ有機結合在一起，開發了一套新的控制系統。通過該系統可在上位機（ＩＰＣ）和ＰＬＣ之間通過ＲＳ－２３２與ＲＳ－４８５進行大量串口通信。

２?。郑么谕ㄐ欧治?/B>

在３２位Ｗｉｎｄｏｗｓ系統下使用ＶＣ開發串口通信程序通常有如下４種方法：

（１）使用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ公司提供的名為ＭＳＣＯＭＭ的通信控件；

（２）直接使用Ｗｉｎｄｏｗｓ應用程序接口（ＡＰＩ）；

（３）自行設計一個串口通信類；

（４）通過開發一個ＡｃｔｉｖｅＸ控件來實現串口通信功能。

在上述幾種方法中，實際上還是使用Ｗｉｎｄｏｗｓ ＡＰＩ函數，然后把串口通信的細節給封裝起來，同時提供給用戶幾個簡單的接口函數。上述幾種方法各有優缺點，但在實際情況下，大多數編程人員喜歡使用ＡＰＩ函數自行設計串口通信類。

用Ｗｉｎｄｏｗｓ ＡＰＩ函數進行串口通信的編程流程如圖１所示。其中打開串口是確定串口號與串口的打開方式；初始化串口用于配置通訊的波特率、每字節位數、校驗位、停止位和讀寫超時等；讀寫串口用于向串口進行發送數據和從串口接收數據；關閉串口用于將串口關閉并釋放串口資源（Ｗｉｎｄｏｗｓ系統下串口是系統資源）。

由于絕大多數控制系統中串口通信是比較費時的，而且監控系統還要進行數據處理和顯示等，所以一般采用多線程技術，并用ＡｆｘＢｅｇｉｎＴｈｒｅａｄ（）函數創建輔助線程來管理串口通信，這樣，主進程就能在進行串口讀寫的同時，處理數據并完成用戶指令的響應，但是設計時一定要處理好數據的共享問題。

串口讀寫既可以選擇同步、異步方式，也可以選擇查詢、定時讀寫和事件驅動方式。由于同步方式容易造成線程阻塞，所以一般采用異步方式；而查詢方式要占用大量的ＣＰＵ時間，所以一般采用定時讀寫或者事件驅動方式，事件驅動方式相關文獻較多，故此重點討論定時讀寫方式。定時讀寫方式就是上位機向下位機發送固定格式的數據，在下位機收到后向上位機返回狀態信息數據。由于數據的傳輸需要時間，所有上位機發送數據后就調用＿ｓｌｅｅｐ（）函數進行休眠，休眠的時間可根據需要進行不同的設置。這樣，可以節?。茫校諘r間，以使系統能夠很好地進行監控工作和處理其它事務。

３　ＶＣ串口通信的設計與實現

筆者在Ｗｉｎｄｏｗｓ系統下，采用面向對象的方法和多線程技術，并使用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ６．０作為編程工具開發了一個通用串口通信類ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ，該ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ類封裝了串口通信的基本數據和方法，下面給出ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ類的簡單介紹。

ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ類頭文件中的主要成員變量和成員函數如下：

Ｃｌａｓｓ ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ

{

ｐｒｉｖａｔｅ:

ＨＡＮＤＥＬ ｍ_ｈＰｏｒｔ;

ＤＣＢ ｍ_Ｄｃｂ;

ＣＯＭＭＴＩＭＥＯＵＴＳ ｍ_ＴｉｍｅＯｕｔｓ;

ＤＷＯＲＤ ｍ_Ｅｒｒｏｒ;

Ｐｕｂｌｉｃ:

ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ(); ?? ／／構造函數

ｖｉｒｔｕａｌ～ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ(); ?? ／／析構函數

／／ＩｎｉｔＰｏｒｔ() 函數實現初始化串口

ＢＯＯＬ ＩｎｉｔＰｏｒｔ(

ｃｈａｒ＊ ｓｔｒ＝“ｃｏｍ１”,

ＵＩＮＴ ＢａｕｄＲａｔｅ＝９６００,

ＵＩＮＴ Ｐａｒｉｔｙ＝０,

ＵＩＮＴ ＢｙｔｅＳｉｚｅ＝８,

ＵＩＮＴ ＳｔｏｐＢｉｔｓ＝１,

ＵＩＮＴ ＲｅａｄＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ＝０,

ＵＩＮＴ ＲｅａｄＣｏｎｓｔａｎｔ＝０,

ＵＩＮＴ ＷｒｉｔｅＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ＝１０,

ＵＩＮＴ ＷｒｉｔｅＣｏｎｓｔａｎｔ＝１０００);

ＤＣＢ ＧｅｔＤＣＢ();? ／／獲得ＤＣＢ參數

／／ＳｅｔＤＣＢ()函數實現設置ＤＣＢ參數

ＢＯＯＬ ＳｅｔＤＣＢ(

ＵＩＮＴ ＢａｕｄＲａｔｅ＝９６００,

ＵＩＮＴ Ｐａｒｉｔｙ＝０,

ＵＮＩＴ ＢｙｔｅＳｉｚｅ＝８,

ＵＩＮＴ ＳｔｏｐＢｉｔｓ＝１);

／／ ＧｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ()函數獲得超時參數

ＣＯＭＭＴＩＭＥＯＵＴＳ ＧｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ();

／／ ＳｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ()函數設置超時參數

ＢＯＯＬ ＳｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ(

ＵＩＮＴ ＲｅａｄＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ＝０,

ＵＩＮＴ ＲｅａｄＣｏｎｓｔａｎｔ＝０,

ＵＩＮＴ ＷｒｉｔｅＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ＝１０,

ＵＩＮＴ ＷｒｉｔｅＣｏｎｓｔａｎｔ＝１０００);

／／ ＷｒｉｔｅＰｏｒｔ()函數實現寫串口操作

ｖｏｉｄ ＷｒｉｔｅＰｏｒｔ(ＨＡＮＤＬＥ ｐｏｒｔ,ＣＳｔｒｉｎｇ);

ＣＳｔｒｉｎｇ ＲｅａｄＰｏｒｔ(ＨＡＮＤＬＥ ｐｏｒｔ); ／／讀串口操作

ＢＯＯＬ ＣｌｏｓｅＰｏｒｔ();? ／／關閉串口

};

下面對該類的重要函數作以說明：

(１）在構造函數ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ（）中已對該類的數據成員進行了初始化操作。

（２）初始化串口函數ＩｎｉｔＰｏｒｔ（）函數用于完成串口的初始化工作，包括打開串口、設置ＤＣＢ參數、設置通信的超時時間等。

打開串口使用ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（）函數，其中ＩｎｉｔＰｏｒｔ（）函數中的第一個參數為要打開的串口，通常將該參數賦給ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（）函數中的第一個參數；設置ＤＣＢ參數應調用該類中的ＳｅｔＤＣＢ（）函數，并將ＩｎｉｔＰｏｒｔ（）函數中的第２至第５參數賦給ＳｅｔＤＣＢ（）函數；設置通信的超時時間應調用該類中的ＳｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ（）函數，并將ＩｎｉｔＰｏｒｔ（）函數中的第６至第９參數賦給ＳｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ（）函數。另外，該串口是系統資源，應該根據不同要求對其安全屬性進行設置。

（３）ＳｅｔＤＣＢ（）函數用于設置ＤＣＢ參數，包括傳輸的波特率、是否進行奇偶校驗、每字節長度以及停止位等。

（４）ＳｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ（）函數用于設定訪問的超時值，根據設置的值可以計算出總的超時間隔。前面兩個參數用來設置讀操作總的超時值，后面兩個參數用來設置寫操作總的超時值。

（５）ＷｒｉｔｅＰｏｒｔ（）函數用來完成向串口寫數據。由于該系統需要對多個串口進行通信，所以首先應把串口號作為參數傳遞給該函數；接著該函數把按參數傳遞過來的、要發送的數據進行編碼（也就是加入校驗，這樣能減少誤碼率），然后再調用Ｗｉｎｄｏｗｓ ＡＰＩ函數ＷｒｉｔｅＦｉｌｅ（）并把數據發送到串口。

（６）ＲｅａｄＰｏｒｔ（）函數用來完成從串口讀數據，由于有多個串口，所以應把串口作為參數傳遞進來，然后調用ＡＰＩ函數ＲｅａｄＦｉｌｅ（），并把下位機發送到串口，數據讀出來放到緩存里面，接著對數據進行處理以將其變換成字符串（ＣＳｔｒｉｎｇ）類型并返回。

（７）ＧｅｔＤＣＢ（）函數主要用于獲得串口的當前配置，可通過調用ＡＰＩ函數ＧｅｔＣｏｍｍＳｔａｔｅ（）來實現，然后再進行相應的處理。

（８）ＧｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ（）函數用于獲得訪問超時值。

（９）ＣｌｏｓｅＰｏｒｔ（）函數可用來關閉串口。因為在Ｗｉｎｄｏｗｓ系統中串口是系統資源，因而在不用時，應將其釋放掉，以便于其它進程對該資源的使用。

４ 基于串口通信的金剛石合成控制

金剛石合成控制系統采用主從式控制方式，上位機為微機、下位機為ＰＬＣ。上位機的主要功能是對系統進行實時監控，下位機的主要功能是對系統進行實時控制。上位機采用Ｗｉｎｄｏｗｓ ９８操作系統，其監控程序可用ＶＣ開發，上、下位機之間通過ＲＳ－２３２與ＲＳ－４８５串口進行通信，它們之間采用的通信波特率為９６００ｂｐｓ，無奇偶校驗，每字節８位，并有１位停止位。上、下位機之間傳送的數據格式可自己定義。由于傳輸數據時可能會引起錯誤，所以加入了校驗算法。該系統通過上位機向下位機發送數據，下位機收到后就把當前系統的狀態參數返回給上位機。由于該系統中所控制的參數具有遲滯性，所以應采用定時發送數據的方法來采集現場狀態信息。

上位機編程時，可用ＶＣ６．０生成一個對話框類型的程序框架，然后將自己編寫的ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ類加入到該工程中，并在主界面類?ＣＣｒｙｓｔａｌ?中添加一個ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ類的成員變量ｓｅｒｉａｌ。當監控系統開始工作時，可用ＡｆｘＢｅｇｉｎＴｈｒｅａｄ??函數創建輔助線程來管理串口通信，當調用ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ類中的ＷｒｉｔｅＰｏｒｔ? ?函數向串口發送數據后，可調用＿ｓｌｅｅｐ? ?函數使輔助線程休眠一段時間，以便使ＰＬＣ有充分的時間返回數據；接著再調用ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ類中的ＲｅａｄＰｏｒｔ（）函數并從串口讀數據，然后再調用＿ｓｌｅｅｐ（）函數使輔助線程再休眠一定的時間。這樣設計后，當進行串口通信時，主線程就能繼續完成監控功能和處理其他事務。輔助線程函數的主要代碼如下：

ＵＩＮＴ ＳｅｒｉａｌＰｒｏ（ｖｏｉｄ＊ ｐａｒａｍ）

{

Ｃｃｒｙｓｔａｌ＊ ｍｄｌｇ＝（Ｃｃｒｙｓｔａｌ＊）ｐａｒａｍ?

ＣＳｔｒｉｎｇ ｓｔｒ；

ｉｎｔ ｆｌａｇ＝１；

／／如果初始化串口失敗返回

ｉｆ（?。桑睿椋簦校铮颍簦ā埃悖铮恚病保?/P>

{ＡｆｘＭｅｓｓａｇｅＢｏｘ（“打開串口２失敗”）；

ｒｅｔｕｒｎ ０；

}

／／循環讀寫串口，直到結束

ｗｈｉｌｅ（ｆｌａｇ）

{

／／這里把要發送的數據傳送給變量ｓｔｒ

……

／／向串口寫數據

ｍｄｌｇ－＞ｓｅｒｉａｌ．ＷｒｉｔｅＰｏｒｔ(ｈｐｏｒｔ，ｓｔｒ);

／／讓輔助線程休眠１００ｍｓ

＿ｓｌｅｅｐ(１００);

／／從串口讀數據并賦給變量ｓｔｒ

ｓｔｒ＝ｍｄｌｇ－＞ｓｅｒｉａｌ．ＲｅａｄＰｏｒｔ(ｈｐｏｒｔ);

／／這里把從串口得到的數據進行處理

……

５　結束語

運用面向對象方法和多線程技術設計的通用串口通信類ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ類，通過對Ｗｉｎｄｏｗｓ ＡＰＩ函數的封裝使串口通信變得簡單方便、容易維護。目前，該軟件系統已成功地應用于金剛石合成控制系統，并成功解決了ＲＳ－２３２與ＲＳ－４８５兩種串口通信的問題。經過幾個月的運行表明，該串口通信軟件工作穩定，出色地完成了系統的實時監控和顯示任務。此外，由于采用了面向對象的方法和模塊化設計，該軟件的維護和升級十分方便；同時該系統具有很好的移植性，按照不同需求稍微改動一些代碼就可以應用于其它控制系統中。