金刚石合成控制系统中多串口通信技术的设计与实现

摘要：通过多串口通信技术在金刚石合成控制系统中的应用，讨论了32位Windows操作系统下，VC多串口通信技术的设计与实现方法，并运用面向对象方法和多线程技术设计了一个比较完善的串口通信类。阐述了用VC开发上位机与PLC之间的串口通信程序设计方法和实现技术。 关键词：串口通信；面向对象方法；多线程；PLC １　引言 传统的金刚石合成机控制系统是由一个ＰＬＣ和一个可显示终端构成。这种传统的控制系统一般具有如下缺点： (１) 系统所有的工作都由ＰＬＣ完成，其控制精度较差，致使合成的金刚石质量较差； (２) 显示终端的平面尺寸过小，这一方面使得操作人员观察系统的状态很不方便，另一方面也常常会引起误操作； (３) 金刚石合成工艺复杂，需控制的参数很多，但原控制系统不能对参数进行保存，这样在根据不同产品和工艺要求对部分参数进行调整时，每次都必须重新设置所有的参数，操作非常麻烦； （４） 界面不友好； （５）不能通过控制系统自动考核操作人员的工作质量。 为了提高控制精度、方便操作，开发新的控制系统迫在眉睫。笔者针对以上问题，将ＩＰＣ与ＰＬＣ有机结合在一起，开发了一套新的控制系统。通过该系统可在上位机（ＩＰＣ）和ＰＬＣ之间通过ＲＳ－２３２与ＲＳ－４８５进行大量串口通信。 ２　ＶＣ串口通信分析 在３２位Ｗｉｎｄｏｗｓ系统下使用ＶＣ开发串口通信程序通常有如下４种方法： （１）使用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ公司提供的名为ＭＳＣＯＭＭ的通信控件； （２）直接使用Ｗｉｎｄｏｗｓ应用程序接口（ＡＰＩ）； （３）自行设计一个串口通信类； （４）通过开发一个ＡｃｔｉｖｅＸ控件来实现串口通信功能。 在上述几种方法中，实际上还是使用Ｗｉｎｄｏｗｓ ＡＰＩ函数，然后把串口通信的细节给封装起来，同时提供给用户几个简单的接口函数。上述几种方法各有优缺点，但在实际情况下，大多数编程人员喜欢使用ＡＰＩ函数自行设计串口通信类。 用Ｗｉｎｄｏｗｓ ＡＰＩ函数进行串口通信的编程流程如图１所示。其中打开串口是确定串口号与串口的打开方式；初始化串口用于配置通讯的波特率、每字节位数、校验位、停止位和读写超时等；读写串口用于向串口进行发送数据和从串口接收数据；关闭串口用于将串口关闭并释放串口资源（Ｗｉｎｄｏｗｓ系统下串口是系统资源）。 由于绝大多数控制系统中串口通信是比较费时的，而且监控系统还要进行数据处理和显示等，所以一般采用多线程技术，并用ＡｆｘＢｅｇｉｎＴｈｒｅａｄ（）函数创建辅助线程来管理串口通信，这样，主进程就能在进行串口读写的同时，处理数据并完成用户指令的响应，但是设计时一定要处理好数据的共享问题。 串口读写既可以选择同步、异步方式，也可以选择查询、定时读写和事件驱动方式。由于同步方式容易造成线程阻塞，所以一般采用异步方式；而查询方式要占用大量的ＣＰＵ时间，所以一般采用定时读写或者事件驱动方式，事件驱动方式相关文献较多，故此重点讨论定时读写方式。定时读写方式就是上位机向下位机发送固定格式的数据，在下位机收到后向上位机返回状态信息数据。由于数据的传输需要时间，所有上位机发送数据后就调用＿ｓｌｅｅｐ（）函数进行休眠，休眠的时间可根据需要进行不同的设置。这样，可以节省ＣＰＵ时间，以使系统能够很好地进行监控工作和处理其它事务。 ３　ＶＣ串口通信的设计与实现 笔者在Ｗｉｎｄｏｗｓ系统下，采用面向对象的方法和多线程技术，并使用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ６．０作为编程工具开发了一个通用串口通信类ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ，该ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ类封装了串口通信的基本数据和方法，下面给出ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ类的简单介绍。 ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ类头文件中的主要成员变量和成员函数如下： Ｃｌａｓｓ ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ { ｐｒｉｖａｔｅ: ＨＡＮＤＥＬ ｍ_ｈＰｏｒｔ; ＤＣＢ ｍ_Ｄｃｂ; ＣＯＭＭＴＩＭＥＯＵＴＳ ｍ_ＴｉｍｅＯｕｔｓ; ＤＷＯＲＤ ｍ_Ｅｒｒｏｒ; Ｐｕｂｌｉｃ: ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ();  ／／构造函数 ｖｉｒｔｕａｌ～ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ();  ／／析构函数 ／／ＩｎｉｔＰｏｒｔ() 函数实现初始化串口 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(); ／／获得ＤＣＢ参数 ／／ＳｅｔＤＣＢ()函数实现设置ＤＣＢ参数 ＢＯＯＬ ＳｅｔＤＣＢ( ＵＩＮＴ ＢａｕｄＲａｔｅ＝９６００, ＵＩＮＴ Ｐａｒｉｔｙ＝０, ＵＮＩＴ ＢｙｔｅＳｉｚｅ＝８, ＵＩＮＴ ＳｔｏｐＢｉｔｓ＝１); ／／ ＧｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ()函数获得超时参数 ＣＯＭＭＴＩＭＥＯＵＴＳ ＧｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ(); ／／ ＳｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ()函数设置超时参数 ＢＯＯＬ ＳｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ( ＵＩＮＴ ＲｅａｄＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ＝０, ＵＩＮＴ ＲｅａｄＣｏｎｓｔａｎｔ＝０, ＵＩＮＴ ＷｒｉｔｅＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ＝１０, ＵＩＮＴ ＷｒｉｔｅＣｏｎｓｔａｎｔ＝１０００); ／／ ＷｒｉｔｅＰｏｒｔ()函数实现写串口操作 ｖｏｉｄ ＷｒｉｔｅＰｏｒｔ(ＨＡＮＤＬＥ ｐｏｒｔ,ＣＳｔｒｉｎｇ); ＣＳｔｒｉｎｇ ＲｅａｄＰｏｒｔ(ＨＡＮＤＬＥ ｐｏｒｔ); ／／读串口操作 ＢＯＯＬ ＣｌｏｓｅＰｏｒｔ(); ／／关闭串口 }; 下面对该类的重要函数作以说明： (１）在构造函数ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ（）中已对该类的数据成员进行了初始化操作。 （２）初始化串口函数ＩｎｉｔＰｏｒｔ（）函数用于完成串口的初始化工作，包括打开串口、设置ＤＣＢ参数、设置通信的超时时间等。 打开串口使用ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（）函数，其中ＩｎｉｔＰｏｒｔ（）函数中的第一个参数为要打开的串口，通常将该参数赋给ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（）函数中的第一个参数；设置ＤＣＢ参数应调用该类中的ＳｅｔＤＣＢ（）函数，并将ＩｎｉｔＰｏｒｔ（）函数中的第２至第５参数赋给ＳｅｔＤＣＢ（）函数；设置通信的超时时间应调用该类中的ＳｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ（）函数，并将ＩｎｉｔＰｏｒｔ（）函数中的第６至第９参数赋给ＳｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ（）函数。另外，该串口是系统资源，应该根据不同要求对其安全属性进行设置。 （３）ＳｅｔＤＣＢ（）函数用于设置ＤＣＢ参数，包括传输的波特率、是否进行奇偶校验、每字节长度以及停止位等。 （４）ＳｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ（）函数用于设定访问的超时值，根据设置的值可以计算出总的超时间隔。前面两个参数用来设置读操作总的超时值，后面两个参数用来设置写操作总的超时值。 （５）ＷｒｉｔｅＰｏｒｔ（）函数用来完成向串口写数据。由于该系统需要对多个串口进行通信，所以首先应把串口号作为参数传递给该函数；接着该函数把按参数传递过来的、要发送的数据进行编码（也就是加入校验，这样能减少误码率），然后再调用Ｗｉｎｄｏｗｓ ＡＰＩ函数ＷｒｉｔｅＦｉｌｅ（）并把数据发送到串口。 （６）ＲｅａｄＰｏｒｔ（）函数用来完成从串口读数据，由于有多个串口，所以应把串口作为参数传递进来，然后调用ＡＰＩ函数ＲｅａｄＦｉｌｅ（），并把下位机发送到串口，数据读出来放到缓存里面，接着对数据进行处理以将其变换成字符串（ＣＳｔｒｉｎｇ）类型并返回。 （７）ＧｅｔＤＣＢ（）函数主要用于获得串口的当前配置，可通过调用ＡＰＩ函数ＧｅｔＣｏｍｍＳｔａｔｅ（）来实现，然后再进行相应的处理。 （８）ＧｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ（）函数用于获得访问超时值。 （９）ＣｌｏｓｅＰｏｒｔ（）函数可用来关闭串口。因为在Ｗｉｎｄｏｗｓ系统中串口是系统资源，因而在不用时，应将其释放掉，以便于其它进程对该资源的使用。 ４ 基于串口通信的金刚石合成控制 金刚石合成控制系统采用主从式控制方式，上位机为微机、下位机为ＰＬＣ。上位机的主要功能是对系统进行实时监控，下位机的主要功能是对系统进行实时控制。上位机采用Ｗｉｎｄｏｗｓ ９８操作系统，其监控程序可用ＶＣ开发，上、下位机之间通过ＲＳ－２３２与ＲＳ－４８５串口进行通信，它们之间采用的通信波特率为９６００ｂｐｓ，无奇偶校验，每字节８位，并有１位停止位。上、下位机之间传送的数据格式可自己定义。由于传输数据时可能会引起错误，所以加入了校验算法。该系统通过上位机向下位机发送数据，下位机收到后就把当前系统的状态参数返回给上位机。由于该系统中所控制的参数具有迟滞性，所以应采用定时发送数据的方法来采集现场状态信息。 上位机编程时，可用ＶＣ６．０生成一个对话框类型的程序框架，然后将自己编写的ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ类加入到该工程中，并在主界面类ＣＣｒｙｓｔａｌ中添加一个ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ类的成员变量ｓｅｒｉａｌ。当监控系统开始工作时，可用ＡｆｘＢｅｇｉｎＴｈｒｅａｄ函数创建辅助线程来管理串口通信，当调用ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ类中的ＷｒｉｔｅＰｏｒｔ 函数向串口发送数据后，可调用＿ｓｌｅｅｐ 函数使辅助线程休眠一段时间，以便使ＰＬＣ有充分的时间返回数据；接着再调用ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ类中的ＲｅａｄＰｏｒｔ（）函数并从串口读数据，然后再调用＿ｓｌｅｅｐ（）函数使辅助线程再休眠一定的时间。这样设计后，当进行串口通信时，主线程就能继续完成监控功能和处理其他事务。辅助线程函数的主要代码如下： ＵＩＮＴ ＳｅｒｉａｌＰｒｏ（ｖｏｉｄ＊ ｐａｒａｍ） { Ｃｃｒｙｓｔａｌ＊ ｍｄｌｇ＝（Ｃｃｒｙｓｔａｌ＊）ｐａｒａｍ ＣＳｔｒｉｎｇ ｓｔｒ； ｉｎｔ ｆｌａｇ＝１； ／／如果初始化串口失败返回 ｉｆ（！ＩｎｉｔＰｏｒｔ（“ｃｏｍ２”）） {ＡｆｘＭｅｓｓａｇｅＢｏｘ（“打开串口２失败”）； ｒｅｔｕｒｎ ０； } ／／循环读写串口，直到结束 ｗｈｉｌｅ（ｆｌａｇ） { ／／这里把要发送的数据传送给变量ｓｔｒ …… ／／向串口写数据 ｍｄｌｇ－＞ｓｅｒｉａｌ．ＷｒｉｔｅＰｏｒｔ(ｈｐｏｒｔ，ｓｔｒ); ／／让辅助线程休眠１００ｍｓ ＿ｓｌｅｅｐ(１００); ／／从串口读数据并赋给变量ｓｔｒ ｓｔｒ＝ｍｄｌｇ－＞ｓｅｒｉａｌ．ＲｅａｄＰｏｒｔ(ｈｐｏｒｔ); ／／这里把从串口得到的数据进行处理 …… ５　结束语 运用面向对象方法和多线程技术设计的通用串口通信类ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ类，通过对Ｗｉｎｄｏｗｓ ＡＰＩ函数的封装使串口通信变得简单方便、容易维护。目前，该软件系统已成功地应用于金刚石合成控制系统，并成功解决了ＲＳ－２３２与ＲＳ－４８５两种串口通信的问题。经过几个月的运行表明，该串口通信软件工作稳定，出色地完成了系统的实时监控和显示任务。此外，由于采用了面向对象的方法和模块化设计，该软件的维护和升级十分方便；同时该系统具有很好的移植性，按照不同需求稍微改动一些代码就可以应用于其它控制系统中。