金刚石合成控制系统中多串口通信技术的设计与实现
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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。
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