Visual C++在異步串行通信控制中的應用

Visual C++在異步串行通信控制中的應用

邱紅兵　韓峯

　　摘要：系統介紹了Visual C++實現異步串行通信的基本原理，分別講述了用Windows函數庫API函數實現和C運行時庫的實現方法，以及在控制系統中的編程應用實例。
　　關鍵詞：控制系統；串行通信；Visual C++應用
　　中圖分類號：TP311.11 　　　　文獻標識碼：A

The Visual C++ Application in Asynchronous Serial Communication Control

QIU Hong-bing　　 HAN feng

　　Abstract: The paper is focus on the principle of asynchronous serial communication by Visual C++, and tells of their implement methods using API function in Windows function warehouse and C function singly. The paper also adduces program application sample in control system.
　　Key Words: control system；serial communication；Visual C++ application

1　引言
　　Visual C++是建立在Window 95和Window NT 32位程序上的可視化編程環境，對於控制系統的可視化開發提供了極大的便利，但是對於計算機控制系統中數據採集、控制，用Visual C++實現的介紹卻很少。基於此，介紹Visual C++在測控系統應用中的基本原理及應用，其中異步串行通信是關鍵。其基本構成是：下位機（單片機系統）完成信號檢測、A/D轉換和簡單的控制功能，通過系統總線（如RS-232C）與上位機（PC機）相連，進行監測、控制，形成主從式結構。

2　工作原理
　　通過傳感器檢測得到被控信號及相關信號，經過放大、濾波處理形成有效信號，通過A/D轉換形成數字信號，輸入到單片機系統進行處理。其中單片機系統完成相應算法或控制功能；PC機主要完成監視、控制其下面的單片機系統，進行集中管理。它們之間的通信可通過RS-232C標準總線進行異步傳輸。系統結構如圖1所示。

圖1　控制系統網絡結構圖

3　Visual C++實現串行通信
　　Visual C++實現串行通信有幾種方式可供選擇，如利用計算機上的標準串行口進行，或自制專用卡插入工控機的PCI總線的ISA擴展槽等。下面主要論述利用計算機上的標準串行口進行串行通信，可分爲利用Windows函數庫API函數和利用C運行時庫實現。其中API函數主要以創建資源的形式進行串行通信，C運行時庫採用類似C的方式進行。
3.1　API函數實現
　　Windows應用程序要與標準串口通信，Windows函數庫中提供了24個低級函數，這些函數可與外部設備的通信提供了基本的工具，文件輸入和文件輸出函數爲通信資源句柄的打開、關閉以及執行讀寫操作提供了基本的接口，Win32 API也包含一系列訪問通信資源的通信函數，具體工作過程如下：首先打開一個通信資源句柄CreateFile()，接着進行串行通信資源的配置（包括波特率、奇偶校驗、停止位和數據位等信息），通過SetCommState()、GetCommState()進行修改和查詢完成初始化設置；串行通信資源的讀寫通過ReadFile()、WriteFile()來完成收發數據，監視串行通信資源某些可能發生的事件可通過WaitCommEvent()來完成，向與某通信資源相關的設備驅動程序發送控制命令，使驅動程序執行特定任務。對於具體參數設置可參閱有關書籍。［1］
3.2　C運行時庫實現
　　對於利用C運行時庫實現串行通信在此將詳細進行討論。它與硬件密切相關，其核心器件是通用異步接收發送器（簡稱UART），並在機箱後部外引一個25腳（或15腳、9腳）的D型連接器作爲數據終端設備（DTE）一側，它通過異步通信電纜（RS-232）與另一側數據通信設備（DCE）（MODEM或其它通信設備）相連。
3.2.1　RS-232異步串行口連接
　　異步串行通信對應用接口極其敏感，常用的RS-232C接口有MODEM接口標準連接和零MODEM的非標準連接，但在實際應用中，並非需要全部控制信號線，而且在某種場合下，還允許採取若干種非標準的連接方式，如圖2所示。其中圖2a主要適用於長距離串行通信，而圖2b適用於短距離異步通信，無需MODEM這類DCE設備介入。

圖2　RS-232接口連接

3.2.2　異步串行通信原理
　　利用C進行異步通信編程，其實是對UART內部寄存器的讀出或寫入操作。VC可利用_-inp()/_-outp()函數對其進行編程，它們的端口地址列於表1。

表1　UART內部寄存器端口分配

端口地址**	指令	條件*	寄存器名稱及作用
0x3f8(0x2f8) 0x3f8(0x2f8) 0x3f8(0x2f8) 0x3f9(0x2f9) 0x3f9(0x2f9) 0x3fa(0x2fa) 0x3fb(0x2fb) 0x3fc(0x2fc) 0x3fd(0x2fd) 0x3fe(0x2fe)	_outp _inp _outp _outp _outp _inp _outp _outp _inp _inp	DLAB=0 DLAB=0 DLAB=1 DLAB=1 DLAB=0 — — — — —	寫入發送器保持寄存器 讀出接收器數據寄存器 寫入波特率因子(LSB) 寫入波特率因子(MSB) 寫入中斷允許寄存器 讀出中斷標識寄存器 寫入線路控制寄存器 寫入MODEM控制寄存器 讀出線路狀態寄存器 讀出MODEM狀態寄存器

　　*　DLAB指線路控制器 D₇位；
　　**　括號前指COM₁，括號內指COM₂。

　　下面，從編程應用的順序考慮，對錶1各個寄存器的作用進行說明（端口地址以COM₁爲例）。
　　首先確定異步通信的數據格式，包括波特率因子的鎖存，奇偶校驗位的設定，停止位數和數據位數的確定，各位定義如下：D₇置1對除數鎖存，D₆置1允許間斷，D₅D₄D₃奇偶位，D₂停止位數，D₁D₀數據位數。
　　接着確定通信雙方傳輸波特率，確定波特率的方法是在通信前，將波特率因子（16位）分兩次寫入到波特率因子寄存器，波特率與波特率因子的關係舉例：如波特率爲75，其波特率因子爲0x06(MSB)，0x00(LSB)；波特率爲1200，其波特率因子爲0x00(MSB)，0x60(LSB)；1800對應0x00(LSB)，0x40(MSB)；2400對應0x00(LSB)，0x30(MSB)；3600對應0x00(LSB)，0x20(MSB)；9600對應0x00(LSB)，0x0C(MSB)等等。
　　緊接着是讀取線路狀態判斷，適用於URAT的查詢I/O，若採取中斷I/O，不需判斷。對URAT採取查詢I/O方式，首先要讀取線路狀態，以判斷是否就緒並用於發送或接收。存在UART內部狀態的線路狀態寄存器的各位定義如下：D₇恆0，D₆發送移位寄存器爲空，D₅發送保持寄存器爲空，D₄ 接收到間斷條件，D₃接收到幀格式錯，D₂接收到奇偶校驗錯，D₁接收到超越錯，D₀接收器數據就緒。
　　然後進行判斷。確定芯片操作方式和控制MODEM可通過對MODEM控制寄存器的寫入操作完成。［2］
3.2.3　應用實例
　　VC對異步串行通信編程應用實例。主控計算機主要完成對其下的單片機系統的數據收集、處理控制和報警功能。控制系統結構圖如圖1所示。對於控制軟件的串行通信有以下部分組成：串行口的初始化、數據收集處理和控制報警等部分（以串行口COM1爲例，端口基址0x3f8）。
　　初始化串行通信口一般做以下幾件事：確定數據傳輸幀格式（包括數據位長度、停止位長度及奇偶有無和類型選擇）、確定傳輸波特率（與數據信號傳輸率同值）以及確定UART操作方式。操作方式指正常通信或循環反饋用於診斷，是程序查詢I/O還是通信中斷I/O。
void CCommu::Init()　{
　　_outp(0x3fb,0x80);//設置線路控制寄存器置DLAB=1進行設定波特率
　　_outp(0x3f8,0x30);//寫入波特率因子，波特率爲2400
　　_outp(0x3f9,0x00);
　　_outp(0x3fb,0x03);//設置線路控制寄存器置DLAB=0確定數據幀傳輸格式
　　_outp(0x3f9,0x00);//設置中斷允許寄存器採用查詢I/O
　　}
　　數據收集處理主要完成數據接收發送。在收發過程中必須檢測MODEM狀態寄存器和線路狀態寄存器。通信流程如圖3所示：圖3a爲發送流程，圖3b爲接收流程。部分程序如下：

圖3　查詢I/O方式下通信流程圖

BOOL CCommu::WaitForStatus(int flag)
{ //When flag is 1,send else receive
　　int statusflag,j1=0,j2=0;
　　BOOL TimeOverFlag=FALSE;
　　do{
　　statusflag=(int)_inp(0x3fd);
　　if(flag==1){
　　statusflag=statusflag&0x20;
　　if(statusflag!=0){break;}
　　}
　　else{
　　j1++;
　　statusflag=statusflag&0x01;
　　if(statusflag!=0){break;}
　　else{
　　if(j1 % 5000==0){j2++;j1=0;}　　} if(j2>60){TimeOverFlag=TRUE;break;}
　　}
　　}while(1);
　　return TimeOverFlag;
}

void Ccommu::SendData(int data)
{_outp(0x3f8,data);}

_int8 Ccommu::ReceData()
{return (_int8)_inp(0x3f8);
　　對於控制、報警可根據具體要求確定。一般可採取主控計算機集中控制集中報警的方式，或從單片機系統自主控制主計算機集中管理報警的方式。對於數據的收發過程按上述原則進行，在此不在詳述。

4　結束語
　　本文介紹的Visual C++實現異步串行通信用於電力系統電纜故障在線監測系統中運行良好；對於控制系統的可視化、網絡化開發有參考意義。

作者簡介：邱紅兵(1974-)，男，湖北雲夢縣人，碩士研究生，主要從事數學模型建立、微機應用軟件開發、機電控制及自動化研究。
作者單位：北京理工大學 機電工程系，北京　100081

參考文獻
［1］穆宗學，章江，肖蓉.Visual C++ 4.2編程實踐指要［M］. 北京：中國鐵道出版社，1997. 160-169.
［2］高登芳，潘承武，朱英傑.微型計算機實用測控接口技術［M］. 北京：北京科學技術出版社，1990. 214-224.