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在工业控制中,串口是常用的计算机与外部串行设备之间的数据传输通道,由于串行通信方便易行,所以应用广泛。
本文将介绍在Windows平台下串行通信的工作机制和用Visual C++设计串行通信程序的编程方法及通信方式。
VC中实现串行通信的编程技术
以下我们将介绍VC中几种实现串行通信的编程技术:
利用VC++的标准通信函数_inp和_outp可实现串口通信。下面是一个串口初始化的程序:
void init_com(PORT) {char i; outp(PORT+3,0x80); outp(PORT,0x0C); outp(PORT+1,0); outp(PORT+3 ,0x3a); outp(PORT+3 ,0x03); i=inp(PORT+5) && 0xfe; outp(PORT+5,i);} |
串行通信控件MSCOmm32.OCX提供了使用RS-232来进行数据通信的所有协议,VC为该控件提供了标准的事件处理函数、过程,并通过属性和方法提供了串行通信的设置。它使用户能够方便地访问Windows串行通信驱动程序的大多数特性,包括输入、输出缓冲区的大小及决定何时使用流控制命令挂起数据传输等。
在ClassWizard中为新创建的通信控件定义成员对象(CMSComm m_Serial),通过该对象便可以对串口属性进行设置,MSComm控件共有27个属性。以下是通过设置控件属性对串口进行初始化的实例:
BOOL CSampleDlg:: PortOpen() { BOOL m_Opened; ...... m_Serial.SetCommPort(2); // 指定串口号 m_Serial.SetSettings("4800,N,8,1"); // 通信参数设置 m_Serial.SetInBufferSize(1024); // 指定接收缓冲区大小 m_Serial.SetInBufferCount(0); // 清空接收缓冲区 m_Serial.InputMode(1); // 设置数据获取方式 m_Serial.SetInputLen(0); // 设置读取方式 m_Opened=m_Serail.SetPortOpen(1); // 打开指定的串口 return m_Opened;} |
打开所需串口后,我们需要考虑串口通信的时机。在接收或发送数据过程中,可能需要监视并响应一些事件和错误,所以事件驱动是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法。使用OnComm事件和CommEvent属性捕捉并检查通信事件和错误的值。发生通信事件或错误时将触发OnComm事件,CommEvent属性的值将被改变,应用程序通过检查CommEvent属性值并作出相应的反应。
控件虽然简单易用,但由于必须拿到对话框中使用,在一些需要在线程中实现通信的应用场合下,控件的使用显得捉襟见肘。API是附带在Windows内部的一个极其重要的组成部分。Windows的32位API主要是一系列很复杂的函数和消息集合。它可以看作是Windows系统为在其下运行的各种开发系统提供的开放式通用功能增强接口。
通信程序在CreateFile处指定串口设备及相关的操作属性,再返回一个句柄,该句柄将被用于后续的通信操作,并贯穿整个通信过程。串口打开后,其属性被设置为默认值,根据具体需要,通过调用GetCommState(hComm,&&dcb)读取当前串口设备控制块DCB设置,修改后通过SetCommState(hComm,&&dcb)将其写入。运用ReadFile()与WriteFile()这两个API函数实现串口读写操作,若为异步通信方式,两函数中最后一个参数为指向OVERLAPPED结构的非空指针,在读写函数返回值为FALSE的情况下,调用GetLastError()函数,返回值为ERROR_IO_PENDING,表明I/O操作悬挂,即操作转入后台继续执行。此时,可以用WaitForSingleObject()来等待结束信号并设置最长等待时间,举例如下:
BOOL bReadStatus; bReadStatus = ReadFile( m_hIDComDev, buffer, dwBytesRead, &&dwBytesRead, &&m_OverlappedRead ); if(!bReadStatus){ if(GetLastError()==ERROR_IO_PENDING){ WaitForSingleObject(m_OverlappedRead.hEvent,1000); return ((int)dwBytesRead);} return(0);} return ((int)dwBytesRead); |
多线程下实现串行通信 Windows内部的抢先调度程序在活动的线程之间分配CPU时间,
Windows区分两种不同类型的线程,一种是用户界面线程(User Interface Thread),它包含消息循环或消息泵,用于处理接收到的消息;另一种是工作线程(Work Thread),它没有消息循环,用于执行后台任务、监视串口事件的线程即为工作线程。 多线程程序的编写在端口的配置,连接部分与单线程的相同,在端口配置完毕后,最重要的是根据实际情况,建立多线程之间的同步对象,如信号灯、临界区和事件等。
一切就绪后即可启动工作线程,程序如下:
CWinThrea CommThread = AfxBegin Thread(CommWatchThread, // 线程函数名 (LPVOID) m_pTTYInfo, // 传递的参数 THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL, // 设置线程优先级 (UINT) 0, // 最大堆栈大小 (DWORD) CREATE_SUSPENDED , // 创建标志 (LPSECURITY_ATTRIBUTES) NULL); if(WaitCommEvent(pTTYInfo->idComDev,&&dwEvtMask,NULL)) { if((dwEvtMask && pTTYInfo->dwEvtMask )== pTTYInfo->dwEvtMask) { WaitForSingleObject(pTTYInfo->hPostEvent,0xFFFFFFFF); ResetEvent(pTTYInfo->hPostEvent); // 置同步事件对象为非信号态 ::PostMessage(CSampleView,ID_COM1_DATA,0,0); // 发送通知消息}} BEGIN_MESSAGE_MAP(CSampleView, CView) //{{AFX_MSG_MAP(CSampleView) ON_MESSAGE(ID_COM1_DATA, OnProcessCom1Data) ON_MESSAGE(ID_COM2_DATA, OnProcessCom2Data) ..... //}}AFX_MSG_MAP END_MESSAGE_MAP() |
多线程的实现可以使得各端口独立,准确地实现串行通信,使串行通信具有更广泛的灵活性与严格性,且充分利用CPU时间。但在具体的实时监控系统中如何协调多个线程、线程之间以何种方式实现同步,这是多线程串行通信程序实现的难点。
串行通信的操作方式 下面我们将介绍串行通信的几种操作方式:
同步方式中,读串口的函数试图在串口的接收缓冲区中读取规定数目的数据,直到规定数目的数据全部被读出或设定的超时时间已到时才返回。例如:
COMMTIMEOUTS timeOver; memset(&&timeOver,0,sizeof(timeOver)); DWORD timeMultiplier,timeConstant; timeOver.ReadTotalTimeoutMultiplier=timeMultiplier; timeOver.ReadTotalTimeoutConstant=timeConstant; SetCommTimeouts(hComport,&&timeOver); …… ReadFile(hComport,inBuffer,nWantRead,&&nRealRead,NULL); |
COMMTIMEOUTS结构用于设置读写函数的等待时间。
在ReadFile函数中
hComport为待读串口句柄;inBuffer为输入缓冲区大小;nWantRead为每次调用ReadFile时,函数试图读出的字节数;nRealRead为实际读出的字节数;最后一个参数值NULL代表ReadFile将采用同步文件读写的方式。
如果所规定的待读取数据的数目nWantRead较大且设定的超时时间也较长,而接收缓冲区中数据较少,则可能引起线程阻塞。解决这一问题的
方法是检查COMSTAT结构的cbInQue成员,该成员的大小即为接收缓冲区中处于等待状态的数据的实际个数。如果令nWantRead的值等于COMSTAT.cbInQue,就能较好地防止线程阻塞。
查询方式,即一个进程中的某一线程定时地查询串口的接收缓冲区,如果缓冲区中有数据,就读取数据;若缓冲区中没有数据,该线程将继续执行,因此会占用大量的CPU时间,它实际上是同步方式的一种派生。例如:
COMMTIMEOUTS timeOver; memset(&&timeOver,0,sizeof(timeOver)); timeOver.ReadIntervalTimeout=MAXWORD; SetCommTimeouts(hComport.&&timeOver); …… ReadFile(hComport.inBuffer.nWantRead.&&nRealRead,NULL); |
除了COMMTIMEOUTS结构的变量timeOver设置不同外,查询方式与同步方式在程序代码方面很类似,但二者的工作方式却差别很大。尽管ReadFile采用的也是同步文件读写方式,但由于timeOver的区间超过时间设置为MAXWORD,所以
ReadFile每次将读出接收队列中的所有处于等待状态的数据,一次最多可读出nWantRead个字节的数据。
异步方式中,利用Windows的多线程结构,可以让串口的读写操作在后台进行,而应用程序的其他部分在前台执行。例如:
OVERLAPPED wrOverlapped; COMMTIMEOUTS timeOver; memset(&&timeOver.0.sizeof(timeOver)); DWORDtimeMultiplier,timeConstant; timeOver.ReadTotalTimeoutMultiplier=timeMultiplier; timeOver.ReadTotalTimeoutConstant=timeConstant; SetCommTimeouts(hComport,&&timeOver); wrOverlapped.hEvent=CreateEvent(NULL.TRUE,FALSE,NULL); …… ReadFile(hComport,inBuffer,nWantRead,&&nRealRead,&&wrOverlapped); GetOverlappedResult(hComport,&&wrOverlapped,&& nRealRead,TRUE); …… ResetEvent(wrOverlapped.hEvent); |
上面代码中的ReadFile
由于采用了异步方式,所以它只返回数据是否已开始读入的状态,并不返回实际的读入数据,即ReadFile中的
nRealRead无效。
实际读入的数据是由GetOverlappedResult函数返回的,该函数的最后一个参数值为TRUE,表示它等待异步操作结束后才返回到应用程序,此时,GetOverlappedResult函数与WaitForSingleObject函数等效。
当采用异步方式时,在用CreateFile打开串口设备时,CreateFile函数的参数fdwAttrsAndFlags必须设为
FILE_FLAG_ OVERLAPPED。在Windows中,只有在串行设备上才支持异步文件读写,并且,GetOverlappedResult函数也只支持串行设备或用DeviceloControl函数打开的文件。
若对端口数据的响应时间要求较严格,可采用事件驱动方式。事件驱动方式通过设置事件通知,当所希望的事件发生时,Windows发出该事件已发生的通知,这与DOS环境下的中断方式很相似。Windows定义了9种串口通信事件,较常用的有以下三种:
EV_RXCHAR:接收到一个字节,并放入输入缓冲区;
EV_TXEMPTY:输出缓冲区中的最后一个字符,发送出去;
EV_RXFLAG:接收到事件字符(DCB结构中EvtChar成员),放入输入缓冲区。
在用SetCommMask()指定了有用的事件后,应用程序可调用WaitCommEvent()来等待事件的发生。SetCommMask(hComm,0)可使WaitCommEvent()中止。例如:
COMSTAT comStat; DWORD dwEvent; SetCommMask(hComport,EV_RXCHAR); …… if(WaitCommEvent(hComport,&&dwEvent,NULL)) if((dwEvent&&EV_RXCHAR)&&&&comstat.cbInQue) ReadFile(hComport,inBuffer,comstat.cbInQue,&&nRealRead,NULL); |
程序中,我们首先用SetCommMask函数设置事件代码,上面的代码中为EV_RXCHAR,表示接收到一个字符时触发这一事件,然后调用WaitCommEvent函数等待该事件的发生。注意,WaitCommEvent函数第3个参数1pOverlapped可以是一个OVERLAPPED结构的变量指针,也可以是NULL,当用NULL时,表示该函数是同步的,否则表示该函数是异步的。
在一般要求情况下,查询方式是一种最直接的读串口方式。但定时查询存在一个致命弱点,即查询是定时发生的,可能发生得过早或过晚。在数据变化较快的情况下,特别是主控计算机的串口通过扩展板扩展至多个时,需定时地对所有串口轮流查询,此时容易发生数据的丢失。虽然定时间隔越小,数据的实时性越高,但系统的资源也被占去越多。
Windows中提出文件读写的
异步方式,主要是针对文件I/O相对较慢的速度而进行的改进,它利用了Windows的多线程结构。虽然在Windows中没有实现任何对文件I/O的异步操作,但它却能对串口进行异步操作。采用异步方式,可以提高系统的整体性能,在对系统强壮性要求较高的场合,建议采用这种方式。
事件驱动方式是一种高效的串口读方式。这种方式的实时性较高,特别是对于扩展了多个串口的情况,并不要求像查询方式那样定时地对所有串口轮流查询,而是像中断方式那样,只有当设定的事件发生时,应用程序得到Windows操作系统发出的消息后,才进行相应处理,避免了数据丢失。在实时性要求较高的场合,笔者建议采用这种方式。
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