中國科學院 王穎
---- 摘要： 本文介紹了在Windows平臺下串行通信的實現機制，討論了根據不同的條件用Visual C++ 設計串行通信程序的三種方法，並結合實際，實現對溫度數據的接收監控。
---- 在實驗室和工業應用中，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，由於串行通信方便易行，所以應用廣泛。依據不同的條件實現對串口的靈活編程控制是我們所需要的。
---- 在光學鏡片鍍膜工藝中，用單片機進行多路溫度數據採集控制，採集結果以串行方式進入主機，每隔10S向主機發送一次採樣數據，主機向單片機發送相關的控制命令，實現串行數據接收，處理，記錄，顯示，實時繪製曲線。串行通信程序開發環境爲 VC++ 6.0。
---- Windows下串行通信
---- 與以往DOS下串行通信程序不同的是，Windows不提倡應用程序直接控制硬件，而是通過Windows操作系統提供的設備驅動程序來進行數據傳遞。串行口在Win 32中是作爲文件來進行處理的，而不是直接對端口進行操作，對於串行通信，Win 32 提供了相應的文件I/O函數與通信函數，通過了解這些函數的使用，可以編制出符合不同需要的通信程序。與通信設備相關的結構有COMMCONFIG ，COMMPROP，COMMTIMEOUTS，COMSTAT，DCB，MODEMDEVCAPS，MODEMSETTINGS共7個，與通信有關的Windows API函數共有26個，詳細說明可參考MSDN幫助文件。以下將結合實例，給出實現串行通信的三種方法。
---- 實現串行通信的三種方法
---- 方法一：使用VC++提供的串行通信控件MSComm 首先，在對話框中創建通信控件，若Control工具欄中缺少該控件，可通過菜單Project --> Add to Project --> Components and Control插入即可，再將該控件從工具箱中拉到對話框中。此時，你只需要關心控件提供的對 Windows 通訊驅動程序的 API 函數的接口。換句話說，只需要設置和監視MSComm控件的屬性和事件。
---- 在ClassWizard中爲新創建的通信控件定義成員對象（CMSComm m_Serial），通過該對象便可以對串口屬性進行設置，MSComm 控件共有27個屬性，這裏只介紹其中幾個常用屬性：
---- CommPort 設置並返回通訊端口號，缺省爲COM1。
---- Settings 以字符串的形式設置並返回波特率、奇偶校驗、數據位、停止位。
---- PortOpen 設置並返回通訊端口的狀態，也可以打開和關閉端口。
---- Input 從接收緩衝區返回和刪除字符。
---- Output 向發送緩衝區寫一個字符串。
---- InputLen 設置每次Input讀入的字符個數，缺省值爲0，表明讀取接收緩衝 區中的全部內容。
---- InBufferCount 返回接收緩衝區中已接收到的字符數，將其置0可以清除接收緩 衝區。
---- InputMode 定義Input屬性獲取數據的方式（爲0：文本方式；爲1：二進制方式）。
---- RThreshold 和 SThreshold 屬性，表示在 OnComm 事件發生之前，接收緩衝區或發送緩衝區中可以接收的字符數。
---- 以下是通過設置控件屬性對串口進行初始化的實例：
BOOL CSampleDlg:: PortOpen(){BOOL m_Opened; ...... m_Serial.SetCommPort(2); // 指定串口號 m_Serial.SetSettings("4800,N,8,1"); // 通信參數設置 m_Serial.SetInBufferSize(1024); // 指定接收緩衝區大小 m_Serial.SetInBufferCount(0); // 清空接收緩衝區 m_Serial.InputMode(1); // 設置數據獲取方式 m_Serial.SetInputLen(0); // 設置讀取方式 m_Opened=m_Serail.SetPortOpen(1); // 打開指定的串口 return m_Opened; }
---- 打開所需串口後，需要考慮串口通信的時機。在接收或發送數據過程中，可能需要監視並響應一些事件和錯誤，所以事件驅動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 屬性捕捉並檢查通訊事件和錯誤的值。發生通訊事件或錯誤時，將觸發 OnComm 事件，CommEvent 屬性的值將被改變，應用程序檢查 CommEvent 屬性值並作出相應的反應。在程序中用ClassWizard爲CMSComm控件添加OnComm消息處理函數：
void CSampleDlg::OnComm(){ ...... switch(m_Serial.GetCommEvent()) { case 2: // 串行口數據接收，處理； }}
---- 方法二：在單線程中實現自定義的串口通信類
---- 控件簡單易用，但由於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。此時，若能夠按不同需要定製靈活的串口通信類將彌補控件的不足，以下將介紹如何在單線程中建立自定義的通信類。
---- 該通信類CSimpleComm需手動加入頭文件與源文件，其基類爲CObject，大致建立步驟如下：
---- (1) 打開串口，獲取串口資源句柄
---- 通信程序從CreateFile處指定串口設備及相關的操作屬性。再返回一個句柄，該句柄將被用於後續的通信操作，並貫穿整個通信過程。CreateFile()函數中有幾個值得注意的參數設置：串口共享方式應設爲0，串口爲不可共享設備；創建方式必須爲OPEN_EXISTING,即打開已有的串口。對於dwFlagAndAttribute參數，對串口有意義的值是FILE_FLAG_OVERLAPPED，該標誌表明串口採用異步通信模式，可進行重疊操作；若值爲NULL，則爲同步通信方式，在同步方式下，應用程序將始終控制程序流，直到程序結束，若遭遇通信故障等因素，將導致應用程序的永久等待，所以一般多采用異步通信。
---- （2）串口設置
---- 串口打開後，其屬性被設置爲默認值，根據具體需要，通過調用GetCommState(hComm,&dcb)讀取當前串口設備控制塊DCB（Device Control Block）設置，修改後通過SetCommState(hComm,&dcb)將其寫入。再需注意異步讀寫的超時控制設置， 通過COMMTIMEOUTS結構設置超時，調用SetCommTimeouts(hComm,&timeouts)將結果寫入。以下是溫度監控程序中串口初始化成員函數：
BOOL CSimpleComm::Open( ) { DCB dcb;m_hIDComDev=CreateFile( "COM2", GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,0,NULL,OPEN_EXISTING,FILE_ATTRIBUTE_NORMAL|FILE_FLAG_OVE RLAPPED, NULL ); // 打開串口，異步操作if( m_hIDComDev == NULL ) return( FALSE );dcb.DCBlength = sizeof( DCB );GetCommState( m_hIDComDev, &dcb ); // 獲得端口默認設置dcb.BaudRate=CBR_4800;dcb.ByteSize=8;dcb.Parity= NOPARITY;dcb.StopBits=(BYTE) ONESTOPBIT; ...... }
---- （3）串口讀寫操作
---- 主要運用ReadFile（）與WriteFile（）API函數，若爲異步通信方式，兩函數中最後一個參數爲指向OVERLAPPED結構的非空指針，在讀寫函數返回值爲FALSE的情況下，調用GetLastError（）函數，返回值爲ERROR_IO_PENDING，表明I/O操作懸掛，即操作轉入後臺繼續執行。此時，可以用WaitForSingleObject()來等待結束信號並設置最長等待時間，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);
---- 定義全局變量m_Serial作爲新建通信類CSimpleComm的對象，通過調用類的成員函數即可實現所需串行通信功能。與方法一相比，方法二賦予串行通信程序設計較大的靈活性，端口的讀寫可選擇較簡單的查詢式，或通過設置與外設數據發送時間間隔TimeCycle相同的定時器：SetTimer(1,TimeCycle,NULL)，進行定時讀取或發送。
CSampleView:: OnTimer(UINT nIDEvent) { char InputData[30]; m_Serial.ReadData(InputData,30); // 數據處理 }
---- 若對端口數據的響應時間要求較嚴格，可採用事件驅動I/O讀寫，Windows定義了9種串口通信事件，較常用的有：
---- EV_RXCHAR: 接收到一個字節，並放入輸入緩衝區。
---- EV_TXEMPTY: 輸出緩衝區中的最後一個字符發送出去。
---- EV_RXFLAG: 接收到事件字符(DCB結構中EvtChar成員)，放入輸入緩衝區。
---- 在用SetCommMask()指定了有用的事件後，應用程序可調用WaitCommEvent()來等待事件的發生。SetCommMask(hComm,0)可使WaitCommEvent()中止。
---- 方法三 多線程下實現串行通信
---- 方法一，二適用於單線程通信。在很多工業控制系統中，常通過擴展串口連接多個外設，各外設發送數據的重複頻率不同，要求後臺實時無差錯捕捉，採集，處理，記錄各端口數據，這就需要在自定義的串行通信類中創建端口監視線程，以便在指定的事件發生時向相關的窗口發送通知消息。
---- 線程的基本概念可詳見VC++參考書目，Windows內部的搶先調度程序在活動的線程之間分配CPU時間，Win 32 區分兩種不同類型的線程，一種是用戶界面線程UI（User Interface Thread）,它包含消息循環或消息泵，用於處理接收到的消息；另一種是工作線程（Work Thread），它沒有消息循環，用於執行後臺任務。用於監視串口事件的線程即爲工作線程。
---- 多線程通信類的編寫在端口的配置，連接部分與單線程通信類相同，在端口配置完畢後，最重要的是根據實際情況，建立多線程之間的同步對象，如信號燈，臨界區，事件等，相關細節可參考VC++ 中的同步類。
---- 一切就緒後即可啓動工作線程：
CWinThrea *CommThread = AfxBeginThread(CommWatchThread, // 線程函數名 (LPVOID) m_pTTYInfo, // 傳遞的參數 THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL, // 設置線程優先級 (UINT) 0, // 最大堆棧大小 (DWORD) CREATE_SUSPENDED , // 創建標誌 (LPSECURITY_ATTRIBUTES) NULL); // 安全性標誌
---- 同時，在串口事件監視線程中：
if(WaitCommEvent(pTTYInfo->idComDev,&dwEvtMask,NULL)) { if((dwEvtMask & pTTYInfo->dwEvtMask )== pTTYInfo->dwEvtMask) { WaitForSingleObject(pTTYInfo->hPostEvent,0xFFFFFFFF); ResetEvent(pTTYInfo->hPostEvent); // 置同步事件對象爲非信號態 ::PostMessage(CSampleView,ID_COM1_DATA,0,0); // 發送通知消息 } }
---- 用PostMessage()向指定窗口的消息隊列發送通知消息，相應地，需要在該窗口建立消息與成員函數間的映射，用ON_MESSAGE將消息與成員函數名關聯。
BEGIN_MESSAGE_MAP(CSampleView, CView) //{{AFX_MSG_MAP(CSampleView)ON_MESSAGE(ID_COM1_DATA, OnProcessCom1Data) ON_MESSAGE(ID_COM2_DATA, OnProcessCom2Data) .....//}}AFX_MSG_MAPEND_MESSAGE_MAP()
---- 然後在各成員函數中完成對各串口數據的接收處理，但必須保證在下一次監測到有數據到來之前，能夠完成所有的中間處理工作。否則將造成數據的捕捉錯誤。
---- 多線程的實現可以使得各端口獨立，準確地實現串行通信，使串口通信具有更廣泛的靈活性與嚴格性，且充分利用了CPU時間。但在具體的實時監控系統中如何協調多個線程，線程之間以何種方式實現同步也是在多線程串行通信程序實現的難點。
---- 以VC++ 6.0 爲工具，實現串行通信的三種方法各有利弊，
---- 根據不同需要，選擇合適的方法，將達到事半功倍的效果。在溫度監控系統中，筆者採用了方法二，在Window 98 ,Windows 95 上運行穩定，取得了良好的效果。