金剛石合成控制系統(tǒng)中多串口通信技術的設計與實現(xiàn)

摘要：通過多串口通信技術在金剛石合成控制系統(tǒng)中的應用，討論了32位Windows操作系統(tǒng)下，VC多串口通信技術的設計與實現(xiàn)方法，并運用面向對象方法和多線程技術設計了一個比較完善的串口通信類。闡述了用VC開發(fā)上位機與PLC之間的串口通信程序設計方法和實現(xiàn)技術。 關鍵詞：串口通信;面向對象方法;多線程;PLC 1　引言 傳統(tǒng)的金剛石合成機控制系統(tǒng)是由一個PLC和一個可顯示終端構成。這種傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)一般具有如下缺點： (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?也常常會引起誤操作; (3) 金剛石合成工藝復雜，需控制的參數(shù)很多，但原控制系統(tǒng)不能對參數(shù)進行保存，這樣在根據(jù)不同產(chǎn)品和工藝要求對部分參數(shù)進行調(diào)整時，每次都必須重新設置所有的參數(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(fā)新的控制系統(tǒng)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(fā)了一套新的控制系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)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　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應用程序接口(API); (3)自行設計一個串口通信類; (4)通過開發(fā)一個ActiveX控件來實現(xiàn)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(shù)，然后把串口通信的細節(jié)給封裝起來，同時提供給用戶幾個簡單的接口函數(shù)。上述幾種方法各有優(yōu)缺點，但在實際情況下，大多數(shù)編程人員喜歡使用API函數(shù)自行設計串口通信類。 用Windows API函數(shù)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(jié)位數(shù)、校驗位、停止位和讀寫超時等;讀寫串口用于向串口進行發(fā)送數(shù)據(jù)和從串口接收數(shù)據(jù);關閉串口用于將串口關閉并釋放串口資源(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時的，而且監(jiān)控系統(tǒng)還要進行數(shù)據(jù)處理和顯示等，所以一般采用多線程技術，并用AfxBeginThread()函數(shù)創(chuàng)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(shù)據(jù)并完成用戶指令的響應，但是設計時一定要處理好數(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(fā)送固定格式的數(shù)據(jù)，在下位機收到后向上位機返回狀態(tài)信息數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)的傳輸需要時間，所有上位機發(fā)送數(shù)據(jù)后就調(diào)用_sleep()函數(shù)進行休眠，休眠的時間可根據(jù)需要進行不同的設置。這樣，可以節(jié)省CPU時間，以使系統(tǒng)能夠很好地進行監(jiān)控工作和處理其它事務。 3　VC串口通信的設計與實現(xiàn) 筆者在Windows系統(tǒng)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(fā)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(shù)據(jù)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(shù)如下： Class CSerialPort { private: HANDEL m_hPort; DCB m_Dcb; COMMTIMEOUTS m_TimeOuts; DWORD m_Error; Public: CSerialPort(); ? //構造函數(shù) virtual～CSerialPort(); ? //析構函數(shù) //InitPort() 函數(shù)實現(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)實現(xiàn)設置DCB參數(shù) BOOL SetDCB( UINT BaudRate=9600, UINT Parity=0, UNIT ByteSize=8, UINT StopBits=1); // GetTimeOuts()函數(shù)獲得超時參數(shù) COMMTIMEOUTS GetTimeOuts(); // SetTimeOuts()函數(shù)設置超時參數(shù) BOOL SetTimeOuts( UINT ReadMultiplier=0, UINT ReadConstant=0, UINT WriteMultiplier=10, UINT WriteConstant=1000); // WritePort()函數(shù)實現(xiàn)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(shù)作以說明： (1)在構造函數(shù)CSerialPort()中已對該類的數(shù)據(jù)成員進行了初始化操作。 (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、設置DCB參數(shù)、設置通信的超時時間等。 打開串口使用CreateFile()函數(shù)，其中InitPort()函數(shù)中的第一個參數(shù)為要打開的串口，通常將該參數(shù)賦給CreateFile()函數(shù)中的第一個參數(shù);設置DCB參數(shù)應調(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);設置通信的超時時間應調(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，應該根據(jù)不同要求對其安全屬性進行設置。 (3)SetDCB()函數(shù)用于設置DCB參數(shù)，包括傳輸?shù)牟ㄌ芈省⑹欠襁M行奇偶校驗、每字節(jié)長度以及停止位等。 (4)SetTimeOuts()函數(shù)用于設定訪問的超時值，根據(jù)設置的值可以計算出總的超時間隔。前面兩個參數(shù)用來設置讀操作總的超時值，后面兩個參數(shù)用來設置寫操作總的超時值。 (5)WritePort()函數(shù)用來完成向串口寫數(shù)據(jù)。由于該系統(tǒng)需要對多個串口進行通信，所以首先應把串口號作為參數(shù)傳遞給該函數(shù);接著該函數(shù)把按參數(shù)傳遞過來的、要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行編碼(也就是加入校驗，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)用來完成從串口讀數(shù)據(jù)，由于有多個串口，所以應把串口作為參數(shù)傳遞進來，然后調(diào)用API函數(shù)ReadFile()，并把下位機發(fā)送到串口，數(shù)據(jù)讀出來放到緩存里面，接著對數(shù)據(jù)進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前配置，可通過調(diào)用API函數(shù)GetCommState()來實現(xiàn)，然后再進行相應的處理。 (8)GetTimeOuts()函數(shù)用于獲得訪問超時值。 (9)ClosePort()函數(shù)可用來關閉串口。因為在Windows系統(tǒng)中串口是系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)進行實時監(jiān)控，下位機的主要功能是對系統(tǒng)進行實時控制。上位機采用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(jié)8位，并有1位停止位。上、下位機之間傳送的數(shù)據(jù)格式可自己定義。由于傳輸數(shù)據(jù)時可能會引起錯誤，所以加入了校驗算法。該系統(tǒng)通過上位機向下位機發(fā)送數(shù)據(jù)，下位機收到后就把當前系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)返回給上位機。由于該系統(tǒng)中所控制的參數(shù)具有遲滯性，所以應采用定時發(fā)送數(shù)據(jù)的方法來采集現(xiàn)場狀態(tài)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(jiān)控系統(tǒng)開始工作時，可用AfxBeginThread?函數(shù)創(chuàng)建輔助線程來管理串口通信，當調(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間，以便使PLC有充分的時間返回數(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間。這樣設計后，當進行串口通信時，主線程就能繼續(xù)完成監(jiān)控功能和處理其他事務。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(shù)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(tǒng)已成功地應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)過幾個月的運行表明，該串口通信軟件工作穩(wěn)定，出色地完成了系統(tǒng)的實時監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)中。