1、概述
在工業(yè)控制中,串口是常用的計算機與外部串行設備之間的數據傳輸通道。由于串行通信結構簡單、可靠性強、實現及使用成本低、通訊標準統(tǒng)一，因此在測控系統(tǒng)和工程中應用十分廣泛。目前Windows在工業(yè)生產監(jiān)控管理系統(tǒng)中已成為主流平臺 ，Windows環(huán)境下的上、下位機之間的串行通信是設計與開發(fā)監(jiān)控管理系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)的重要組成部分。
Microsoft公司的VC++6.0是一種高級編程語言，其基礎類庫 (MFC)封裝了Win32API中的標準通信函數，可方便地支持串口通信。下面就結合實例介紹在Windows環(huán)境下，用VC++6.0編寫串行通信程序的技術及方法。
2、串行通信工作方式 Windows系統(tǒng)為每個通信設備開辟了用戶定義的輸入/輸出緩沖區(qū)，數據進出通信口均由系統(tǒng)后臺來完成，應用程序只需完成對輸入/輸出緩沖區(qū)操作就可以了。實際過程是每接收一個字符就產生一個低級硬件中斷，Windows系統(tǒng)中的串行驅動程序就取得了控制權，并將接收到的字符放入緩沖區(qū)，然后將控制權返還給正在運行的應用程序。如果輸入緩沖區(qū)數據已滿，串行驅動程序用當前定義的流控制機制通知發(fā)送方停止發(fā)送數據，而隊列中的數據按先進先出 (FIFO)的次序處理。
在Windows中，串行通信有兩種工作方式：查詢方式和事件驅動方式。查詢方式占用大量的CPU時間，效率較低，但是數據不易丟失；而
Win32操作系統(tǒng)基于事件驅動 (也稱為消息驅動)機制的內核，支持基于進程的協(xié)同式多任務和基于多線程的搶先式多任務?；谑录寗拥亩嗑€程應用程序實際上在其內部實現了多任務擴展，為代碼賦予了并行執(zhí)行的特性，可以使應用程序對CPU的利用率大大提高，從而提高系統(tǒng)的響應能力，加快信息處理速度，提高通信程序的實時性和增大數據吞吐量。
基于以上分析，以事件驅動方式實現
Windows下的串行通信更具優(yōu)勢，它能完成較大數據量的實時通信，大大提高了通信的效率，故本程序采用此種方式進行串行通信，至于通信的可靠性可以通過軟件設計來保證。
3、系統(tǒng)組成及功能
本系統(tǒng)采用分布式上下位機結構，上位機以Windows和PC機作為軟硬件資源，下位機由MOTOROLA單片機MC68HC908GP32控制。上下位機之間采用RS232通訊，實現數據交換。利用串行通信的方式，將現場采集的數據交由計算機進行處理，實現對現場設備的監(jiān)測和控制。各組成部分功能如下：
3.1上位機
以工業(yè)PC機、Windows操作系統(tǒng)及支持串行通訊程序的監(jiān)控軟件作為軟硬件環(huán)境；
3.2下位機
采用MOTOROLA公司生產的高性能CMOS單片機MC68HC908GP32。MC68HC908GP32IDK在線編程開發(fā)系統(tǒng)是基于MC68HC908GP32的開發(fā)應用系統(tǒng)，它由核心子板和目標評估母板兩部分組成。將目標評估母板作為本系統(tǒng)下位機的硬件接口板，利用目標評估母板上的可編程串行通信接口SCI即可實現MOTOROLA單片機與PC機的串行通信。
在使用串行通信接口SCI之前，應對其進行初始化，主要包括波特率寄存器（BAUD）、串行通信數據寄存器（SCDR）、串行通信控制寄存器（SCCR）、串行通信狀態(tài)寄存器（SCSR）初始化。其中，串行通信狀態(tài)寄存器SCSR為產生SCI系統(tǒng)中斷邏輯電路提供輸入信號。對單片機的編程采用匯編語言，其接收和發(fā)送子程序如下：
GETD： BRCLR 5，SCSR，GETD；//接收子程序
LDA SCDR
RTS
SEND： BRCLR 7，SCSR，SEND；//發(fā)送子程序
STA SCDR
RTS |
4、上位機串行通信程序
在Windows環(huán)境下，利用Visual C++6.0實現串行通信主要有兩種編程方法：
（1） 使用Windows Visual C++6.0 ActiveX控件；
?。?） 調用Windows的API函數。
第一種方法雖然簡單易用，但由于必須拿到對話框中使用，在一些需要在線程中實現通信的應用場合，控件的使用顯得捉襟見肘。而且這種方法經常發(fā)生數據丟失的情況，不能滿足實時系統(tǒng)的需求。第二種方法要復雜一些：API是附帶在Windows內部的一個極其重要的組成部分。Windows的32位API主要是一系列很復雜的函數、消息的集合，它可以看作是Windows系統(tǒng)為在其下運行的各種開發(fā)系統(tǒng)提供的開放式通用功能增強接口。調用API函數，既能保證數據的完整，又可以讓我們清楚地掌握串口通信的機制，熟悉各種配置和自由靈活采用不同的流控進行串口通信。所以，在本系統(tǒng)中通過調用API函數來實現串行通信。
4.1程序設計思路
串口通信應用程序設計的總體思路是：首先，確定要打開的串口名、波特率、奇偶校驗方式、數據位、停止位，傳遞給CreateFile（）函數打開特定串口；其次，為了保護系統(tǒng)對串口的初始設置，調用GetCommTimeouts（）得到串口的原始設置；然后，初始化DCB對象，調用SetCommState（）設置DCB，調用SetCommTimeouts（）設置串口超時控制；再次，設置串口接發(fā)送數據的緩沖區(qū)大小，串口的設置就基本完成，之后就可以用ReadCommBlock/WriteCommBlock來讀/寫串口了。
一般來說，串口的讀寫由串口讀寫線程完成，這樣可以避免讀寫阻塞時主程序死鎖。本程序是對于全雙工的串口讀寫，所以分別開啟讀線程和寫線程。
4.2編程技術細節(jié)
圖1為本程序的編程步驟。
4.2.1打開串行口
在Windows下，串行口作為文件處理，使用文件操作對串行口進行處理。調用CreateFlie打開串口，如果成功，返回一個操作句柄，該句柄供隨后對串行口的設置、讀寫等操作用。
| if ((COMDEV( npTTYInfo ) = CreateFile( szPort,
GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, //對串口可進行讀寫操作
0, NULL, OPEN_EXISTING, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL |
FILE_FLAG_OVERLAPPED, // 采用異步方式讀寫串口
NULL )) = = (HANDLE) -1 )
return ( FALSE ) ; //若打開串口失敗，異常錯誤
else //打開串口成功，繼續(xù)下面的操作 |
4.2.2初始化串行口
1）DCB設置
串行口打開成功后，接著要對串行口初始化，設置串行口的通信參數。修改這些參數將要用到設備控制塊DCB（Device Control Block）。DCB結構定義了串口設備的控制設置，它是個復雜的數據結構，有近30個數據成員。許多通信的重要設置諸如波特率、奇偶校驗類型、數據位、停止位等都是在DCB結構中設置的，并能通過DCB隨時進行修改。
DCB dcb; //定義數據控制塊結構
GetCommState (COMDEV( npTTYInfo ),＆dcb); //讀串口原來的參數據設置
dcb.BaudRate=9600;
dcb.ByreSize=8;
dcb.Parity=NOPARITY ;
dcb.StopBits=ONESTOPBIT ;
SetCommState(COMDEV( npTTYInfo ) ,＆dcb); //串口參數設置 |
2）流控設置
?、儆布骺?br>
串口通信的硬件流控有兩種：DTE/DSR方式和RTS/CTS方式，這與DCB結構的初始化有關系。本程序對這兩種方式都進行了處理，使用者可以根據自己的需要任意選擇。
bSet = (BYTE) ((FLOWCTRL( npTTYInfo ) & FC_DTRDSR) != 0) ;
dcb.fOutxDsrFlow = bSet ;
if (bSet)
dcb.fDtrControl = DTR_CONTROL_HANDSHAKE ;
else
dcb.fDtrControl = DTR_CONTROL_ENABLE ;
bSet = (BYTE) ((FLOWCTRL( npTTYInfo ) & FC_RTSCTS) != 0) ;
dcb.fOutxCtsFlow = bSet ;
if (bSet)
dcb.fRtsControl = RTS_CONTROL_HANDSHAKE ;
else
dcb.fRtsControl = RTS_CONTROL_ENABLE ; |
②軟件流控
串口通信中采用特殊字符XON和XOFF控制串口數據的收發(fā)。它也是通過對DCB的初始化來完成的，與此相關的DCB成員是：fOutX、fInX、XoffChar、XonChar、XoffLim和XonLim。
bSet = (BYTE) ((FLOWCTRL( npTTYInfo ) & FC_XONXOFF) != 0) ;
dcb.fInX = dcb.fOutX = bSet ;
dcb.XonChar = ASCII_XON ;
dcb.XoffChar = ASCII_XOFF ;
dcb.XonLim = 100 ;
dcb.XoffLim = 100 ;
fRetVal = SetCommState( COMDEV( npTTYInfo ), &dcb ) ;
return ( fRetVal ) ; |
4.2.3超時設置
在通信中，超時是個很重要的因素。譬如由于某種原因數據接收過程突然被中斷或者數據發(fā)送過程突然被停止，這時如果不采取相應的措施，可能會引起輸入輸出線程掛起或被無限阻塞。Windows對于這類問題提供了超時控制機制，通過超時設置來決定通信是否異常并做出相應處理。
串口通信中的超時設置分為兩步：首先設置COMMTIMEOUTS結構的五個變量，然后調用SetCommTimeouts（）設置超時值。對于使用異步方式讀寫的操作，如果操作被掛起后，異步成功完成了讀寫，GetOverlappedResult（）函數將返回TRUE。另外還可以用GetCommTimeouts（）得到系統(tǒng)的初始值。
4.2.4串行口讀寫操作
串口的讀寫操作有兩種方式：同步方式（Nonoverlapped）和異步方式（Overlapped）。同步方式是指必須完成了讀寫操作，函數才返回，這可能造成程序的死掉。因為如果在讀寫時發(fā)生了錯誤，永遠不返回就會出錯，可能線程就永遠等待在那兒。而異步方式則靈活得多了。當調用CreateFile（）函數打開端口時，就會使用FILE-FLAG-OVERLAPPED標志通知o/s（讀寫完成標志）：將在重疊的格式下使用文件。這種情況意味著對ReadFile（）函數和WriteFile（）函數調用后立即返回，無需等待它們的操作完成。這時ReadFile（）函數和WriteFile（）函數使用OVERLAPPED管理重疊輸入/輸出，把這個結構傳遞給函數，直到異步輸入/輸出完成才會釋放它，之后再把同一結構傳遞給GetOverlappedReult（）函數，以獲得最后的輸入/輸出操作的數據。一旦讀寫不成功，就將讀寫掛起，函數直接返回，可以通過GetLastError（）函數得知讀寫未成功的原因。所以，本程序采用異步方式操作：
fReadStat = ReadFile( COMDEV( npTTYInfo ), lpszBlock,
dwLength, &dwLength, &READ_OS( npTTYInfo ) ) ;
if (!fReadStat)
{
if (GetLastError() == ERROR_IO_PENDING)
{
while(!GetOverlappedResult( COMDEV( npTTYInfo ),
&READ_OS( npTTYInfo ), &dwLength, TRUE ))
{
dwError = GetLastError();
if(dwError == ERROR_IO_INCOMPLETE)
continue; //讀寫未完成，繼續(xù)
else
{
ClearCommError( COMDEV( npTTYInfo ),
&dwErrorFlags, &ComStat ) ; //發(fā)生錯誤，清除錯誤標志
break;
}
}}} |
4.2.5關閉串口
串行口是非共享資源，應用程序打開串口后，即獨占資源，其它應用程序無法再訪問，直到該應用程序釋放串口。所以打開串口后，一定要關閉串口。關閉串口只要使用API調用CloseHandle（）關閉串口的句柄就可以了。但是值得注意的是在關閉串口之前必須保證讀寫線程已經退出，在線程退出之前，通知主線程可以關閉串口。
4.3串行通信性能的提高
1)錯誤處理
在串口通信中，可能會發(fā)生很多的錯誤，造成少讀字節(jié)數，使用ClearCommError（）函數可以檢測錯誤并且清除錯誤條件。
2)控制命令
本程序可以使用自己的流控：利用 EscapeCommFunction（）函數來模擬特殊字符XON和XOFF，將硬件信號設置為"ON"和"OFF"。
EscapeCommFunction( COMDEV( npTTYInfo ), SETDTR ) ; // 發(fā)送DTR信號
……
EscapeCommFunction( COMDEV( npTTYInfo ), CLRDTR ) ; //清除DTR信號3)引入Sleep函數 |
由于Windows操作系統(tǒng)的消息處理機制，使用Timer控件和定時函數來確定的間隔時間，不能適合實際應用。這是因為Windows的多任務處理方式。如果計算機在執(zhí)行串行通信程序的同時還執(zhí)行其它程序，那么就要等待較長時間才能響應串行通信程序，定時不準確。因此，采用Sleep函數，可以在定時的時間范圍內停止進程的所有動作，定時的精確性有了保障。
另外，引入多線程，為串行通信程序賦予較高的優(yōu)先級，避免在接收過程中被打斷，也能提高串行通信的性能。
5、結論
Windows環(huán)境下的應用程序編程是目前的主要趨勢。它提供了豐富的資源，VC++還提供了面向對象程序設計的功能。Windows的API技術可以清楚地掌握串口通信的機制，且探制手段靈活，功能強大。用API技術開發(fā)的串行通信程序在實際應用中，很大地提高了通訊性能和通信的可靠性。本設計利用 VC++的強大功能， 在 Windows環(huán)境下開發(fā)了PC機與單片機的串行通信軟件，對于國內的中、小型企業(yè)具有現實意義。本軟件經過在一個實際的工業(yè)集散系統(tǒng)中的應用表明，運行狀態(tài)良好，靈活方便。
