作者: 李湘江

在工業(yè)控制中，串口是常用的計(jì)算機(jī)與外部串行設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，由于串行通信方便易行，所以應(yīng)用廣泛。

本文將介紹在Windows平臺(tái)下串行通信的工作機(jī)制和用Visual C++設(shè)計(jì)串行通信程序的編程方法及通信方式。

VC中實(shí)現(xiàn)串行通信的編程技術(shù)
以下我們將介紹VC中幾種實(shí)現(xiàn)串行通信的編程技術(shù)：

利用VC++的標(biāo)準(zhǔn)通信函數(shù)

利用VC++的標(biāo)準(zhǔn)通信函數(shù)_inp和_outp可實(shí)現(xiàn)串口通信。下面是一個(gè)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);}

使用串行通信控件MSComm

串行通信控件MSCOmm32.OCX提供了使用RS-232來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的所有協(xié)議，VC為該控件提供了標(biāo)準(zhǔn)的事件處理函數(shù)、過程，并通過屬性和方法提供了串行通信的設(shè)置。它使用戶能夠方便地訪問Windows串行通信驅(qū)動(dòng)程序的大多數(shù)特性，包括輸入、輸出緩沖區(qū)的大小及決定何時(shí)使用流控制命令掛起數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?

在ClassWizard中為新創(chuàng)建的通信控件定義成員對(duì)象(CMSComm m_Serial)，通過該對(duì)象便可以對(duì)串口屬性進(jìn)行設(shè)置，MSComm控件共有27個(gè)屬性。以下是通過設(shè)置控件屬性對(duì)串口進(jìn)行初始化的實(shí)例：

BOOL CSampleDlg:: PortOpen()
{ BOOL m_Opened;
......
m_Serial.SetCommPort(2); // 指定串口號(hào)
m_Serial.SetSettings("4800,N,8,1");
// 通信參數(shù)設(shè)置
m_Serial.SetInBufferSize(1024);
// 指定接收緩沖區(qū)大小
m_Serial.SetInBufferCount(0);
// 清空接收緩沖區(qū)
m_Serial.InputMode(1);
// 設(shè)置數(shù)據(jù)獲取方式
m_Serial.SetInputLen(0);
// 設(shè)置讀取方式
m_Opened=m_Serail.SetPortOpen(1);
// 打開指定的串口
return m_Opened;}

打開所需串口后，我們需要考慮串口通信的時(shí)機(jī)。在接收或發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，可能需要監(jiān)視并響應(yīng)一些事件和錯(cuò)誤，所以事件驅(qū)動(dòng)是處理串行端口交互作用的一種非常有效的方法。使用OnComm事件和CommEvent屬性捕捉并檢查通信事件和錯(cuò)誤的值。發(fā)生通信事件或錯(cuò)誤時(shí)將觸發(fā)OnComm事件，CommEvent屬性的值將被改變，應(yīng)用程序通過檢查CommEvent屬性值并作出相應(yīng)的反應(yīng)。

使用API函數(shù)

控件雖然簡(jiǎn)單易用，但由于必須拿到對(duì)話框中使用，在一些需要在線程中實(shí)現(xiàn)通信的應(yīng)用場(chǎng)合下，控件的使用顯得捉襟見肘。API是附帶在Windows內(nèi)部的一個(gè)極其重要的組成部分。Windows的32位API主要是一系列很復(fù)雜的函數(shù)和消息集合。它可以看作是Windows系統(tǒng)為在其下運(yùn)行的各種開發(fā)系統(tǒng)提供的開放式通用功能增強(qiáng)接口。

通信程序在CreateFile處指定串口設(shè)備及相關(guān)的操作屬性，再返回一個(gè)句柄，該句柄將被用于后續(xù)的通信操作，并貫穿整個(gè)通信過程。串口打開后，其屬性被設(shè)置為默認(rèn)值，根據(jù)具體需要，通過調(diào)用GetCommState(hComm,&&dcb)讀取當(dāng)前串口設(shè)備控制塊DCB設(shè)置，修改后通過SetCommState(hComm,&&dcb)將其寫入。運(yùn)用ReadFile()與WriteFile()這兩個(gè)API函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口讀寫操作，若為異步通信方式，兩函數(shù)中最后一個(gè)參數(shù)為指向OVERLAPPED結(jié)構(gòu)的非空指針，在讀寫函數(shù)返回值為FALSE的情況下，調(diào)用GetLastError()函數(shù)，返回值為ERROR_IO_PENDING，表明I/O操作懸掛，即操作轉(zhuǎn)入后臺(tái)繼續(xù)執(zhí)行。此時(shí)，可以用WaitForSingleObject()來(lái)等待結(jié)束信號(hào)并設(shè)置最長(zhǎng)等待時(shí)間，舉例如下：

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);

多線程下實(shí)現(xiàn)串行通信
Windows內(nèi)部的搶先調(diào)度程序在活動(dòng)的線程之間分配CPU時(shí)間，Windows區(qū)分兩種不同類型的線程，一種是用戶界面線程(User Interface Thread),它包含消息循環(huán)或消息泵，用于處理接收到的消息；另一種是工作線程(Work Thread)，它沒有消息循環(huán)，用于執(zhí)行后臺(tái)任務(wù)、監(jiān)視串口事件的線程即為工作線程。

多線程程序的編寫在端口的配置，連接部分與單線程的相同，在端口配置完畢后，最重要的是根據(jù)實(shí)際情況，建立多線程之間的同步對(duì)象，如信號(hào)燈、臨界區(qū)和事件等。

一切就緒后即可啟動(dòng)工作線程，程序如下：

CWinThrea �矯ommThread = AfxBegin
Thread(CommWatchThread, // 線程函數(shù)名
(LPVOID) m_pTTYInfo, // 傳遞的參數(shù)
THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL,
// 設(shè)置線程優(yōu)先級(jí)
(UINT) 0, // 最大堆棧大小
(DWORD) CREATE_SUSPENDED , // 創(chuàng)建標(biāo)志
(LPSECURITY_ATTRIBUTES) NULL);
if(WaitCommEvent(pTTYInfo-＞idComDev,&&dwEvtMask,NULL))
{
if((dwEvtMask && pTTYInfo-＞dwEvtMask )== pTTYInfo-＞dwEvtMask)
{
WaitForSingleObject(pTTYInfo-＞hPostEvent,0xFFFFFFFF);
ResetEvent(pTTYInfo-＞hPostEvent);
// 置同步事件對(duì)象為非信號(hào)態(tài)
::PostMessage(CSampleView,ID_COM1_DATA,0,0); // 發(fā)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()

多線程的實(shí)現(xiàn)可以使得各端口獨(dú)立，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)串行通信，使串行通信具有更廣泛的靈活性與嚴(yán)格性，且充分利用CPU時(shí)間。但在具體的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中如何協(xié)調(diào)多個(gè)線程、線程之間以何種方式實(shí)現(xiàn)同步，這是多線程串行通信程序?qū)崿F(xiàn)的難點(diǎn)。

串行通信的操作方式
下面我們將介紹串行通信的幾種操作方式：

1.同步方式

同步方式中，讀串口的函數(shù)試圖在串口的接收緩沖區(qū)中讀取規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù)，直到規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù)全部被讀出或設(shè)定的超時(shí)時(shí)間已到時(shí)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結(jié)構(gòu)用于設(shè)置讀寫函數(shù)的等待時(shí)間。

在ReadFile函數(shù)中hComport為待讀串口句柄；inBuffer為輸入緩沖區(qū)大小；nWantRead為每次調(diào)用ReadFile時(shí)，函數(shù)試圖讀出的字節(jié)數(shù)；nRealRead為實(shí)際讀出的字節(jié)數(shù)；最后一個(gè)參數(shù)值NULL代表ReadFile將采用同步文件讀寫的方式。

如果所規(guī)定的待讀取數(shù)據(jù)的數(shù)目nWantRead較大且設(shè)定的超時(shí)時(shí)間也較長(zhǎng)，而接收緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)較少，則可能引起線程阻塞。解決這一問題的方法是檢查COMSTAT結(jié)構(gòu)的cbInQue成員，該成員的大小即為接收緩沖區(qū)中處于等待狀態(tài)的數(shù)據(jù)的實(shí)際個(gè)數(shù)。如果令nWantRead的值等于COMSTAT.cbInQue，就能較好地防止線程阻塞。

2.查詢方式

查詢方式，即一個(gè)進(jìn)程中的某一線程定時(shí)地查詢串口的接收緩沖區(qū)，如果緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)，就讀取數(shù)據(jù)；若緩沖區(qū)中沒有數(shù)據(jù)，該線程將繼續(xù)執(zhí)行，因此會(huì)占用大量的CPU時(shí)間，它實(shí)際上是同步方式的一種派生。例如:

COMMTIMEOUTS timeOver;
memset(&&timeOver,0,sizeof(timeOver));
timeOver.ReadIntervalTimeout=MAXWORD;
SetCommTimeouts(hComport.&&timeOver);
……
ReadFile(hComport.inBuffer.nWantRead.&&nRealRead,NULL);

除了COMMTIMEOUTS結(jié)構(gòu)的變量timeOver設(shè)置不同外，查詢方式與同步方式在程序代碼方面很類似，但二者的工作方式卻差別很大。盡管ReadFile采用的也是同步文件讀寫方式，但由于timeOver的區(qū)間超過時(shí)間設(shè)置為MAXWORD，所以ReadFile每次將讀出接收隊(duì)列中的所有處于等待狀態(tài)的數(shù)據(jù)，一次最多可讀出nWantRead個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。

3.異步方式

異步方式中，利用Windows的多線程結(jié)構(gòu)，可以讓串口的讀寫操作在后臺(tái)進(jìn)行，而應(yīng)用程序的其他部分在前臺(tái)執(zhí)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);

上面代碼中的ReadFile由于采用了異步方式，所以它只返回?cái)?shù)據(jù)是否已開始讀入的狀態(tài)，并不返回實(shí)際的讀入數(shù)據(jù)，即ReadFile中的nRealRead無(wú)效。實(shí)際讀入的數(shù)據(jù)是由GetOverlappedResult函數(shù)返回的，該函數(shù)的最后一個(gè)參數(shù)值為TRUE，表示它等待異步操作結(jié)束后才返回到應(yīng)用程序，此時(shí)，GetOverlappedResult函數(shù)與WaitForSingleObject函數(shù)等效。

當(dāng)采用異步方式時(shí)，在用CreateFile打開串口設(shè)備時(shí)，CreateFile函數(shù)的參數(shù)fdwAttrsAndFlags必須設(shè)為FILE_FLAG_ OVERLAPPED。在Windows中，只有在串行設(shè)備上才支持異步文件讀寫，并且，GetOverlappedResult函數(shù)也只支持串行設(shè)備或用DeviceloControl函數(shù)打開的文件。

4.事件驅(qū)動(dòng)方式

若對(duì)端口數(shù)據(jù)的響應(yīng)時(shí)間要求較嚴(yán)格，可采用事件驅(qū)動(dòng)方式。事件驅(qū)動(dòng)方式通過設(shè)置事件通知，當(dāng)所希望的事件發(fā)生時(shí)，Windows發(fā)出該事件已發(fā)生的通知，這與DOS環(huán)境下的中斷方式很相似。Windows定義了9種串口通信事件，較常用的有以下三種：

EV_RXCHAR:接收到一個(gè)字節(jié)，并放入輸入緩沖區(qū)；

EV_TXEMPTY:輸出緩沖區(qū)中的最后一個(gè)字符，發(fā)送出去；

EV_RXFLAG:接收到事件字符(DCB結(jié)構(gòu)中EvtChar成員)，放入輸入緩沖區(qū)。

在用SetCommMask()指定了有用的事件后，應(yīng)用程序可調(diào)用WaitCommEvent()來(lái)等待事件的發(fā)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，我們首先用SetCommMask函數(shù)設(shè)置事件代碼，上面的代碼中為EV_RXCHAR，表示接收到一個(gè)字符時(shí)觸發(fā)這一事件，然后調(diào)用WaitCommEvent函數(shù)等待該事件的發(fā)生。注意，WaitCommEvent函數(shù)第3個(gè)參數(shù)1pOverlapped可以是一個(gè)OVERLAPPED結(jié)構(gòu)的變量指針，也可以是NULL，當(dāng)用NULL時(shí)，表示該函數(shù)是同步的，否則表示該函數(shù)是異步的。

5.幾種方式的比較

在一般要求情況下，查詢方式是一種最直接的讀串口方式。但定時(shí)查詢存在一個(gè)致命弱點(diǎn)，即查詢是定時(shí)發(fā)生的，可能發(fā)生得過早或過晚。在數(shù)據(jù)變化較快的情況下，特別是主控計(jì)算機(jī)的串口通過擴(kuò)展板擴(kuò)展至多個(gè)時(shí)，需定時(shí)地對(duì)所有串口輪流查詢，此時(shí)容易發(fā)生數(shù)據(jù)的丟失。雖然定時(shí)間隔越小，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性越高，但系統(tǒng)的資源也被占去越多。

Windows中提出文件讀寫的異步方式，主要是針對(duì)文件I/O相對(duì)較慢的速度而進(jìn)行的改進(jìn)，它利用了Windows的多線程結(jié)構(gòu)。雖然在Windows中沒有實(shí)現(xiàn)任何對(duì)文件I/O的異步操作，但它卻能對(duì)串口進(jìn)行異步操作。采用異步方式，可以提高系統(tǒng)的整體性能，在對(duì)系統(tǒng)強(qiáng)壯性要求較高的場(chǎng)合，建議采用這種方式。

事件驅(qū)動(dòng)方式是一種高效的串口讀方式。這種方式的實(shí)時(shí)性較高，特別是對(duì)于擴(kuò)展了多個(gè)串口的情況，并不要求像查詢方式那樣定時(shí)地對(duì)所有串口輪流查詢，而是像中斷方式那樣，只有當(dāng)設(shè)定的事件發(fā)生時(shí)，應(yīng)用程序得到Windows操作系統(tǒng)發(fā)出的消息后，才進(jìn)行相應(yīng)處理，避免了數(shù)據(jù)丟失。在實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，筆者建議采用這種方式。