多線程串口通信技術(shù)在ＧＰＳ導(dǎo)航中的應(yīng)用

馮　正　韓　焱　王黎明

摘 要：GPS導(dǎo)航系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)獲取來(lái)自接收機(jī)串口的定位數(shù)據(jù)，在對(duì)串口實(shí)時(shí)監(jiān)控的同時(shí)還可以在前臺(tái)進(jìn)行一些其他的操作，利用基于多線程的串口通信編程思想方法可以很好地解決這一問(wèn)題。介紹多線程的基本概念和串口通信編程技術(shù)，分析了GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的功能和需求，著重闡述了采用基于多線程的CSerialPort類的串口通信方法來(lái)獲取定位數(shù)據(jù)，并且給出了CSerialPort類的使用方法。經(jīng)過(guò)調(diào)試，程序運(yùn)行平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：多線程;串口通信;CSerialPort;GPS導(dǎo)航

中圖分類號(hào)：TP399文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)05-028-03

Application of Multi-thread Serial Port Communication Technology in GPS Navigation System

FENG Zheng1,HAN Yan2,WANG Liming2

(1.National Key Laboratory of Electronic Testing Technology,North University of China,Taiyuan,030051,China；

2.Information Detection and Treatment Institute of Technology,North University of China,Taiyuan,030051,China)

Abstract：The GPS navigation system needs not only gaining real-time orientation data from the receiver serial port but also operating other somethings,the way that based on the multi-thread and the serial communication programming technology theory can solve this question.The multi-thread basic concept and the serial port communication programming technology are introduced,and the GPS navigation system′s function and the requirement are analysed,real-time orientation data by using CSerialPort class based on the multi-thread,and the application method of CSerialPort class are given.After the debugging,the program runs steady.

Keywords：multi-thread;serial port communication;CSerialPort;GPS navigation

0 引 言

GPS(Global Position System)具有全球性、全天候性優(yōu)勢(shì)的定位、定時(shí)、測(cè)速系統(tǒng),用戶利用GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，從而獲取當(dāng)前位置的大地坐標(biāo)、高程和時(shí)間等信息，達(dá)到定位、導(dǎo)航或測(cè)量高程的目的。衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)被廣泛應(yīng)用于海洋勘測(cè)、海洋工程、海洋開(kāi)發(fā)和軍事作戰(zhàn)中，高精度、快捷方便、全天候等優(yōu)良特性，使其越來(lái)越受到人們的青睞［1］。在GPS導(dǎo)航中，需要實(shí)時(shí)采集遵循NMEA0183協(xié)議的GPS數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過(guò)ODBC接口將用戶的位置、時(shí)間、速度等信息存到數(shù)據(jù)庫(kù)，為以后在電子地圖上實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)位置提供依據(jù)。為了避免由于一直等待串口I/O操作而引起的線程阻塞，要求程序在對(duì)串行端口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的同時(shí)，可以在前臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取、保存、顯示等操作。為了解決實(shí)時(shí)性和多任務(wù)處理，避免某項(xiàng)任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間占用CPU，多線程編程是一個(gè)比較理想的選擇。

1 多線程概述

1.1 基本概念

進(jìn)程是程序在計(jì)算機(jī)上的一個(gè)執(zhí)行實(shí)例，線程是程序中的一條執(zhí)行分支，多線程就是在同一個(gè)程序中可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。每一個(gè)進(jìn)程至少有一個(gè)主執(zhí)行線程，它無(wú)需由用戶去主動(dòng)創(chuàng)建，是由系統(tǒng)自動(dòng)創(chuàng)建的。用戶根據(jù)需要在應(yīng)用程序中創(chuàng)建其他線程，多個(gè)線程并發(fā)地運(yùn)行于同一個(gè)進(jìn)程中。

一個(gè)進(jìn)程中的所有線程都在該進(jìn)程的虛擬地址空間中，共同使用這些虛擬地址空間、全局變量和系統(tǒng)資源［2］。

1.2 VC++環(huán)境對(duì)多線程技術(shù)的支持

Visual C++ 6.0中，MFC類庫(kù)提供了對(duì)多線程編程的支持，使得多線程編程更加方便。MFC中有兩類線程，分別稱之為工作者線程和用戶界面線程。二者的主要區(qū)別在于工作者線程沒(méi)有消息循環(huán)，而用戶界面線程有自己的消息隊(duì)列和消息循環(huán)。工作者線程通常用來(lái)執(zhí)行后臺(tái)計(jì)算和維護(hù)任務(wù)。用戶界面線程一般用于處理獨(dú)立于其他線程執(zhí)行之外的用戶輸入，響應(yīng)用戶及系統(tǒng)所產(chǎn)生的事件和消息等。

1.3 線程創(chuàng)建、掛起、恢復(fù)、終止

在MFC中，一般用全局函數(shù)AfxBeginThread()來(lái)創(chuàng)建并初始化一個(gè)線程的運(yùn)行，該函數(shù)有兩種重載形式，分別用于創(chuàng)建工作者線程和用戶界面線程。SuspendThread() 和ResumeThread()分別用于掛起指定的線程和恢復(fù)用SuspendThread()掛起的線程。ExitThread(DWORD dwExitCode)用于線程終結(jié)自身的執(zhí)行。

1.4 線程同步

線程之間經(jīng)常要同時(shí)訪問(wèn)一些資源，因此對(duì)共享資源進(jìn)行訪問(wèn)引起沖突是不可避免的。為了解決這種資源沖突問(wèn)題，必須引入線程同步的概念。Win32 API提供了多種同步控制對(duì)象來(lái)解決共享資源訪問(wèn)沖突，包括使用臨界區(qū)、使用互斥對(duì)象、使用信號(hào)量、使用事件［3］。

2 串口通信編程

目前,在Windows下編程時(shí),常用的串口通信主要有3種方法：用MSComm通信控件;用Windows API進(jìn)行編程;使用第三方提供的一些串口通訊類進(jìn)行編寫(xiě)［4］。

(1) MSComm控件

利用MSComm控件會(huì)使編程快捷簡(jiǎn)單。然而，由于做了大量的封裝，降低了編程的可控性和靈活性，因此在多線程多串口編程時(shí)，需要做許多復(fù)雜的處理。

(2) Windows API

利用Windows API編寫(xiě)串口程序，特別是復(fù)雜的多線程串口程序時(shí)，對(duì)于程序員的編程能力要求較高。除了需要程序員熟練掌握和使用眾多的API函數(shù)，能編寫(xiě)很多底層代碼之外，還必須熟悉線程的編程方法。

(3) 第三方串口通信類

利用第三方的串口通信類進(jìn)行串口編程時(shí)，既可以使編程效率高，程序可控性強(qiáng)，又比Window API編程簡(jiǎn)單，其中應(yīng)用最多的第三方的串口通信類是CSerialPort。它基于多線程，是一個(gè)Win32 API的打包類，對(duì)處理串口的Win32 API類進(jìn)行了封裝，借助這個(gè)類可以很方便地對(duì)串口進(jìn)行操作，容易實(shí)現(xiàn)多線程的串口通信，編寫(xiě)的程序在Windows 98/NT/2000/XP操作系統(tǒng)下可很好地運(yùn)行。

比較3種串口通信方式，可以發(fā)現(xiàn)使用第三方串口通信類CSerialPort是實(shí)現(xiàn)Windows下多線程串口編程的較好選擇。

3 多線程編程技術(shù)在GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 GPS導(dǎo)航系統(tǒng)功能分析

GPS導(dǎo)航是通過(guò)GPS定位技術(shù)實(shí)時(shí)給出用戶所在的位置，這就要求需要實(shí)時(shí)接收來(lái)自GPS接收機(jī)串口的定位數(shù)據(jù)，在實(shí)時(shí)監(jiān)視串口的同時(shí)還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示等，利用多線程串口通信技術(shù)將很好地解決這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)分析，將程序分成以下幾個(gè)線程：

主線程：負(fù)責(zé)處理用戶界面的消息處理，按照預(yù)定義流程調(diào)度其他線程處理數(shù)據(jù)。

串口監(jiān)視線程：監(jiān)視串口，采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)保存到一個(gè)緩沖區(qū) 。

入庫(kù)線程：從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理并將處理好的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

顯示線程：通過(guò)地圖匹配算法將用戶實(shí)時(shí)位置顯示在電子地圖上。

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3.2 具體實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)首先對(duì)線程在相應(yīng)的頭文件中說(shuō)明，然后在程序初始化時(shí)加入創(chuàng)建程序代碼，這樣創(chuàng)建后，線程就可以和主線程并發(fā)執(zhí)行了。主線程、入庫(kù)線程、顯示線程與一般的編程處理相同，所以下面著重說(shuō)明串口監(jiān)視線程。

對(duì)串口的操作采用基于多線程編程的CSerialPort類，其工作流程如下：首先設(shè)置好串口參數(shù)，再開(kāi)啟串口監(jiān)測(cè)工作線程。串口監(jiān)測(cè)工作線程監(jiān)測(cè)到串口接收到的數(shù)據(jù)流、控制事件或其他串口事件后，就以消息方式通知主程序，激發(fā)消息處理函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這是對(duì)接收數(shù)據(jù)而言的；發(fā)送數(shù)據(jù)可直接向串口發(fā)送［5］。應(yīng)用程序流程如圖2所示。

編程步驟如下：

(1) 建立程序

建立一個(gè)基于單文檔的MFC應(yīng)用程序CSerialPortTest,其他步驟保持缺省狀態(tài)。

(2) 添加類文件

將SerialPort.h和SerialPort.cpp兩個(gè)類文件復(fù)制到工程文件夾中，用Project-Add to Project-Files命令將上述兩個(gè)文件加入工程，并在任何要調(diào)用這個(gè)類的模塊中加上#include SerialPort.h文件。

在視類頭文件中定義串口類的對(duì)象：CSerialPort m_Port。

(3) 人工增加串口消息響應(yīng)函數(shù)OnCommunication(WPARAM ch,LPARAM port)

首先在CSerialPortTestView.h中添加串口字符接收消息WM_COMM_RXCHAR(串口接收緩沖區(qū)內(nèi)有一個(gè)字符)的響應(yīng)函數(shù)聲明，即：

afx_msg LONG OnCommunication(WPARAM ch,LPARAM port)；

然后在CSerialPortTestView.cpp文件中進(jìn)行WM_COMM_RXCHAR消息映射：

ON_MESSAGE(WM_COMM_RXCHAR,OnCommunication)

接著在CSerialPortTestView.cpp中加入函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，即：

LONG CSerialPortTestView::OnCommunication(WPARAM ch,LPARAM port)

{ … }

(4) 初始化串口并開(kāi)啟串口監(jiān)視線程

在視創(chuàng)建時(shí)初始化串口，首先利用ClassWizard生成OnInitialUpdate()函數(shù)。代碼如下：

Void CSerialPortTestView::OnInitialUpdate()

{

CView::OnInitialUpdate()；

if(m_Port.InitPort(this,1,4 800,′N(xiāo)′,8,1,EV_RXFLAG | EV_RXCHAR,512))

//設(shè)置端口為COM1，波特率4 800 b/s，數(shù)據(jù)位8，停止位1，檢驗(yàn)位N，緩沖區(qū)512

{

m_Port.StartMonitoring()；

//啟動(dòng)串口監(jiān)視線程，利用WaitCommEvent函數(shù)對(duì)串口上發(fā)生的事件進(jìn)行獲取并根據(jù)事件的不同

類型進(jìn)行相應(yīng)的處理，利用WaitForMultipleObjects函數(shù)對(duì)串口相關(guān)的用戶控制事件進(jìn)行等待并做相應(yīng)處理

}

else

{

AfxMessageBox(“沒(méi)有發(fā)現(xiàn)此串口”)；

}

}

在StartMonitoring()這個(gè)成員函數(shù)內(nèi)部調(diào)用AfxBeginThread創(chuàng)建了一個(gè)工作線程，它的函數(shù)申明如下：

BOOL CSerialPort::StartMonitoring()

{

if(!(m_Thread=AfxBeginThread(CommThread,this)))

return FALSE；

TRACE("Thread started\n")；

return TRUE；

}

在主線程初始化串口后創(chuàng)建CommThread函數(shù)進(jìn)入死循環(huán)，線程一直監(jiān)視串口事件，當(dāng)讀串口事件發(fā)生,讀取串口接收到的數(shù)據(jù)，向主線程發(fā)自定義消息WM_COMM_RXCHAR，通知主線程在相應(yīng)的消息響應(yīng)函數(shù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)收到主線程的寫(xiě)串口命令時(shí)，將緩存中的數(shù)據(jù)寫(xiě)到串口。

(5) 在OnCommunication()函數(shù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

每當(dāng)串口接收緩沖區(qū)內(nèi)有一個(gè)字符時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)WM_COMM_RXCHAR消息，觸發(fā)OnCommunication函數(shù)。這時(shí)就可以在函數(shù)中進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理，提取出時(shí)間、經(jīng)緯度、速度等定位的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。

LONG CMainFrame：：OnCommunication(WPARAM ch,LPARAM port){

m_strReceived+=(char)ch；

while((m_strReceived.Find(0x0d)!=-1)&&(m_strReceived.Find(0x0a)!=-1)){

int startLF=m_strReceived.Find(0x0a)；

//此行表示找到換行的位置并返回值

int endCR=m_strReceived.Find(0x0d)；

if(startLF>endCR)

endCR=m_strReceived.Find(0x0d,startLF)；

//從startLF位置開(kāi)始找回車(chē)符

…………

}

4 結(jié) 語(yǔ)

串行通訊在通訊領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。利用基于多線程的第三方串口通信類CSerialPort很好地解決了由于串口長(zhǎng)時(shí)間占用CPU而引起的線程堵塞等問(wèn)題，編程簡(jiǎn)單、方便、可移植性強(qiáng)，對(duì)于其他類型的串口通信問(wèn)題均可采用。該程序由Microsoft Visual C++ 6.0編譯，在Windows XP下運(yùn)行通過(guò)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 馮 正 男，1980年出生，山西忻州人，碩士。主要研究方向?yàn)檫b控遙測(cè)技術(shù)。

韓 焱 男，1957年出生，山西汶水人，教授、博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域?yàn)樾盘?hào)與信息處理、無(wú)線通信。

王黎明 男，1974年出生，山西運(yùn)城人，教授、碩士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)楸鳠o(wú)損檢測(cè)技術(shù)。