金剛石合成控制系統(tǒng)中多串口通信技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：通過多串口通信技術(shù)在金剛石合成控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，討論了32位Windows操作系統(tǒng)下，VC多串口通信技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，并運(yùn)用面向?qū)ο蠓椒ê投嗑€程技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)比較完善的串口通信類。闡述了用VC開發(fā)上位機(jī)與PLC之間的串口通信程序設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。 關(guān)鍵詞：串口通信;面向?qū)ο蠓椒?多線程;PLC 1　引言 傳統(tǒng)的金剛石合成機(jī)控制系統(tǒng)是由一個(gè)PLC和一個(gè)可顯示終端構(gòu)成。這種傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)一般具有如下缺點(diǎn)： (1) 系統(tǒng)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(zhì)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(tǒng)的狀態(tài)很不方便，另一方面?也常常會(huì)引起誤操作; (3) 金剛石合成工藝復(fù)雜，需控制的參數(shù)很多，但原控制系統(tǒng)不能對(duì)參數(shù)進(jìn)行保存，這樣在根據(jù)不同產(chǎn)品和工藝要求對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，每次都必須重新設(shè)置所有的參數(shù)，操作非常麻煩; (4) 界面不友好; (5)不能通過控制系統(tǒng)自動(dòng)考核操作人員的工作質(zhì)量。 為了提高控制精度、方便操作，開發(fā)新的控制系統(tǒng)迫在眉睫。筆者針對(duì)以上問題，將IPC與PLC有機(jī)結(jié)合在一起，開發(fā)了一套新的控制系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可在上位機(jī)(IPC)和PLC之間通過RS-232與RS-485進(jìn)行大量串口通信。 2　VC串口通信分析 在32位Windows系統(tǒng)下使用VC開發(fā)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(yīng)用程序接口(API); (3)自行設(shè)計(jì)一個(gè)串口通信類; (4)通過開發(fā)一個(gè)ActiveX控件來(lái)實(shí)現(xiàn)串口通信功能。

在上述幾種方法中，實(shí)際上還是使用Windows API函數(shù)，然后把串口通信的細(xì)節(jié)給封裝起來(lái)，同時(shí)提供給用戶幾個(gè)簡(jiǎn)單的接口函數(shù)。上述幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但在實(shí)際情況下，大多數(shù)編程人員喜歡使用API函數(shù)自行設(shè)計(jì)串口通信類。 用Windows API函數(shù)進(jìn)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(hào)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(jié)位數(shù)、校驗(yàn)位、停止位和讀寫超時(shí)等;讀寫串口用于向串口進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)和從串口接收數(shù)據(jù);關(guān)閉串口用于將串口關(guān)閉并釋放串口資源(Windows系統(tǒng)下串口是系統(tǒng)資源)。 由于絕大多數(shù)控制系統(tǒng)中串口通信是比較費(fèi)時(shí)的，而且監(jiān)控系統(tǒng)還要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示等，所以一般采用多線程技術(shù)，并用AfxBeginThread()函數(shù)創(chuàng)建輔助線程來(lái)管理串口通信，這樣，主進(jìn)程就能在進(jìn)行串口讀寫的同時(shí)，處理數(shù)據(jù)并完成用戶指令的響應(yīng)，但是設(shè)計(jì)時(shí)一定要處理好數(shù)據(jù)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(shí)讀寫和事件驅(qū)動(dòng)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(shí)間，所以一般采用定時(shí)讀寫或者事件驅(qū)動(dòng)方式，事件驅(qū)動(dòng)方式相關(guān)文獻(xiàn)較多，故此重點(diǎn)討論定時(shí)讀寫方式。定時(shí)讀寫方式就是上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送固定格式的數(shù)據(jù)，在下位機(jī)收到后向上位機(jī)返回狀態(tài)信息數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)的傳輸需要時(shí)間，所有上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)后就調(diào)用_sleep()函數(shù)進(jìn)行休眠，休眠的時(shí)間可根據(jù)需要進(jìn)行不同的設(shè)置。這樣，可以節(jié)省CPU時(shí)間，以使系統(tǒng)能夠很好地進(jìn)行監(jiān)控工作和處理其它事務(wù)。 3　VC串口通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 筆者在Windows系統(tǒng)下，采用面向?qū)ο蟮姆椒ê投嗑€程技術(shù)，并使用Visual C6.0作為編程工具開發(fā)了一個(gè)通用串口通信類CSerialPort，該CSerialPort類封裝了串口通信的基本數(shù)據(jù)和方法，下面給出CSerialPort類的簡(jiǎn)單介紹。 CSerialPort類頭文件中的主要成員變量和成員函數(shù)如下： Class CSerialPort { private: HANDEL m_hPort; DCB m_Dcb; COMMTIMEOUTS m_TimeOuts; DWORD m_Error; Public: CSerialPort(); ? //構(gòu)造函數(shù) virtual～CSerialPort(); ? //析構(gòu)函數(shù) //InitPort() 函數(shù)實(shí)現(xiàn)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(shù) //SetDCB()函數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)置DCB參數(shù) BOOL SetDCB( UINT BaudRate=9600, UINT Parity=0, UNIT ByteSize=8, UINT StopBits=1); // GetTimeOuts()函數(shù)獲得超時(shí)參數(shù) COMMTIMEOUTS GetTimeOuts(); // SetTimeOuts()函數(shù)設(shè)置超時(shí)參數(shù) BOOL SetTimeOuts( UINT ReadMultiplier=0, UINT ReadConstant=0, UINT WriteMultiplier=10, UINT WriteConstant=1000); // WritePort()函數(shù)實(shí)現(xiàn)寫串口操作 void WritePort(HANDLE port,CString); CString ReadPort(HANDLE port); //讀串口操作 BOOL ClosePort();? //關(guān)閉串口 }; 下面對(duì)該類的重要函數(shù)作以說明： (1)在構(gòu)造函數(shù)CSerialPort()中已對(duì)該類的數(shù)據(jù)成員進(jìn)行了初始化操作。 (2)初始化串口函數(shù)InitPort()函數(shù)用于完成串口的初始化工作，包括打開串口、設(shè)置DCB參數(shù)、設(shè)置通信的超時(shí)時(shí)間等。 打開串口使用CreateFile()函數(shù)，其中InitPort()函數(shù)中的第一個(gè)參數(shù)為要打開的串口，通常將該參數(shù)賦給CreateFile()函數(shù)中的第一個(gè)參數(shù);設(shè)置DCB參數(shù)應(yīng)調(diào)用該類中的SetDCB()函數(shù)，并將InitPort()函數(shù)中的第2至第5參數(shù)賦給SetDCB()函數(shù);設(shè)置通信的超時(shí)時(shí)間應(yīng)調(diào)用該類中的SetTimeOuts()函數(shù)，并將InitPort()函數(shù)中的第6至第9參數(shù)賦給SetTimeOuts()函數(shù)。另外，該串口是系統(tǒng)資源，應(yīng)該根據(jù)不同要求對(duì)其安全屬性進(jìn)行設(shè)置。 (3)SetDCB()函數(shù)用于設(shè)置DCB參數(shù)，包括傳輸?shù)牟ㄌ芈?、是否進(jìn)行奇偶校驗(yàn)、每字節(jié)長(zhǎng)度以及停止位等。 (4)SetTimeOuts()函數(shù)用于設(shè)定訪問的超時(shí)值，根據(jù)設(shè)置的值可以計(jì)算出總的超時(shí)間隔。前面兩個(gè)參數(shù)用來(lái)設(shè)置讀操作總的超時(shí)值，后面兩個(gè)參數(shù)用來(lái)設(shè)置寫操作總的超時(shí)值。 (5)WritePort()函數(shù)用來(lái)完成向串口寫數(shù)據(jù)。由于該系統(tǒng)需要對(duì)多個(gè)串口進(jìn)行通信，所以首先應(yīng)把串口號(hào)作為參數(shù)傳遞給該函數(shù);接著該函數(shù)把按參數(shù)傳遞過來(lái)的、要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼(也就是加入校驗(yàn)，這樣能減少誤碼率)，然后再調(diào)用Windows API函數(shù)WriteFile()并把數(shù)據(jù)發(fā)送到串口。 (6)ReadPort()函數(shù)用來(lái)完成從串口讀數(shù)據(jù)，由于有多個(gè)串口，所以應(yīng)把串口作為參數(shù)傳遞進(jìn)來(lái)，然后調(diào)用API函數(shù)ReadFile()，并把下位機(jī)發(fā)送到串口，數(shù)據(jù)讀出來(lái)放到緩存里面，接著對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以將其變換成字符串(CString)類型并返回。 (7)GetDCB()函數(shù)主要用于獲得串口的當(dāng)前配置，可通過調(diào)用API函數(shù)GetCommState()來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后再進(jìn)行相應(yīng)的處理。 (8)GetTimeOuts()函數(shù)用于獲得訪問超時(shí)值。 (9)ClosePort()函數(shù)可用來(lái)關(guān)閉串口。因?yàn)樵赪indows系統(tǒng)中串口是系統(tǒng)資源，因而在不用時(shí)，應(yīng)將其釋放掉，以便于其它進(jìn)程對(duì)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(tǒng)采用主從式控制方式，上位機(jī)為微機(jī)、下位機(jī)為PLC。上位機(jī)的主要功能是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，下位機(jī)的主要功能是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。上位機(jī)采用Windows 98操作系統(tǒng)，其監(jiān)控程序可用VC開發(fā)，上、下位機(jī)之間通過RS-232與RS-485串口進(jìn)行通信，它們之間采用的通信波特率為9600bps，無(wú)奇偶校驗(yàn)，每字節(jié)8位，并有1位停止位。上、下位機(jī)之間傳送的數(shù)據(jù)格式可自己定義。由于傳輸數(shù)據(jù)時(shí)可能會(huì)引起錯(cuò)誤，所以加入了校驗(yàn)算法。該系統(tǒng)通過上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，下位機(jī)收到后就把當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)返回給上位機(jī)。由于該系統(tǒng)中所控制的參數(shù)具有遲滯性，所以應(yīng)采用定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的方法來(lái)采集現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)信息。 上位機(jī)編程時(shí)，可用VC6.0生成一個(gè)對(duì)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(gè)CSerialPort類的成員變量serial。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)開始工作時(shí)，可用AfxBeginThread?函數(shù)創(chuàng)建輔助線程來(lái)管理串口通信，當(dāng)調(diào)用CSerialPort類中的WritePort? 函數(shù)向串口發(fā)送數(shù)據(jù)后，可調(diào)用_sleep? 函數(shù)使輔助線程休眠一段時(shí)間，以便使PLC有充分的時(shí)間返回?cái)?shù)據(jù);接著再調(diào)用CSerialPort類中的ReadPort()函數(shù)并從串口讀數(shù)據(jù)，然后再調(diào)用_sleep()函數(shù)使輔助線程再休眠一定的時(shí)間。這樣設(shè)計(jì)后，當(dāng)進(jìn)行串口通信時(shí)，主線程就能繼續(xù)完成監(jiān)控功能和處理其他事務(wù)。輔助線程函數(shù)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(!InitPort(“com2”)) {AfxMessageBox(“打開串口2失敗”); return 0; } //循環(huán)讀寫串口，直到結(jié)束 while(flag) { //這里把要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送給變量str …… //向串口寫數(shù)據(jù) mdlg->serial.WritePort(hport，str); //讓輔助線程休眠100ms _sleep(100); //從串口讀數(shù)據(jù)并賦給變量str str=mdlg->serial.ReadPort(hport); //這里把從串口得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 …… 5　結(jié)束語(yǔ) 運(yùn)用面向?qū)ο蠓椒ê投嗑€程技術(shù)設(shè)計(jì)的通用串口通信類CSerialPort類，通過對(duì)Windows API函數(shù)的封裝使串口通信變得簡(jiǎn)單方便、容易維護(hù)。目前，該軟件系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于金剛石合成控制系統(tǒng)，并成功解決了RS-232與RS-485兩種串口通信的問題。經(jīng)過幾個(gè)月的運(yùn)行表明，該串口通信軟件工作穩(wěn)定，出色地完成了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示任務(wù)。此外，由于采用了面向?qū)ο蟮姆椒ê湍K化設(shè)計(jì)，該軟件的維護(hù)和升級(jí)十分方便;同時(shí)該系統(tǒng)具有很好的移植性，按照不同需求稍微改動(dòng)一些代碼就可以應(yīng)用于其它控制系統(tǒng)中。