金剛石合成控制系統(tǒng)中多串口通信技術(shù)的設計與實現(xiàn)

關鍵詞：串口通信；面向?qū)ο蠓椒?；多線程；PLC

１　引言

傳統(tǒng)的金剛石合成機控制系統(tǒng)是由一個ＰＬＣ和一個可顯示終端構(gòu)成。這種傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)一般具有如下缺點：

(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(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。筆者針對以上問題，將ＩＰＣ與ＰＬＣ有機結(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（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(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(shù)，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(qū)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(qū)動方式，事件驅(qū)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)?。茫校諘r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?。郑么谕ㄐ诺脑O計與實現(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(gòu)造函數(shù)

ｖｉｒｔｕａｌ～ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ(); ?? ／／析構(gòu)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(gòu)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?、是否進行奇偶校驗、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（?。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(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)進行處理

……

５　結(jié)束語

運用面向?qū)ο蠓椒ê投嗑€程技術(shù)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?qū)ο蟮姆椒ê湍K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。