線(xiàn)程安全的.NET平臺(tái)串口通信程序設(shè)計(jì)研究

彭 偉

（武漢城市職業(yè)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖北武漢430064）

RS－232串行端口通信技術(shù)大量應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)，Microsoft在其.NET Framework加入了串行端口類(lèi)Serial Port，以支持 Windo ws軟件界面與外部設(shè)備之間的串口通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及管理控制.然而，當(dāng).NET程序開(kāi)發(fā)人員在串口組件數(shù)據(jù)接收事件處理程序中將讀取的數(shù)據(jù)直接顯示到可視化UI組件時(shí)，系統(tǒng)卻拋出線(xiàn)程異常，提示當(dāng)前線(xiàn)程與可視化組件不在同一線(xiàn)程上運(yùn)行.通過(guò)查閱MSDN技術(shù)手冊(cè)可知，.NET串口通信組件與可視化顯示組件雖然處于同一窗體，但串口數(shù)據(jù)接收事件卻是在輔助線(xiàn)程上引發(fā)，它并非與窗體中其他可視化組件同處于主線(xiàn)程［1］.

本文將分析研究.NET Framewor k所提供的Serial Port、delegate、Thread及 Background Worker類(lèi)相關(guān)技術(shù)，研究解決.NET開(kāi)發(fā)環(huán)境下串口通信程序中的線(xiàn)程安全問(wèn)題，并與以PIC微控制器為核心的8通道A／D轉(zhuǎn)換模塊之間進(jìn)行串口數(shù)據(jù)通信與圖文顯示測(cè)試.

1 .NET串行端口類(lèi)相關(guān)技術(shù)

1.1 串行端口類(lèi)簡(jiǎn)介

.NET的System.IO.Ports命名空間包含用于控制串行端口的類(lèi)，最重要的類(lèi)Serial Port為同步和事件驅(qū)動(dòng)I／O提供框架，提供對(duì)串口針腳和中斷狀態(tài)的訪(fǎng)問(wèn)以及對(duì)串行驅(qū)動(dòng)程序?qū)傩缘脑L(fǎng)問(wèn).

1.2 串行端口類(lèi)數(shù)據(jù)接收事件處理

，由于其處理程序在輔助線(xiàn)程上引發(fā)，故而在事件處理程序中無(wú)法直接訪(fǎng)問(wèn)UI組件.為刷新窗體中相關(guān)組件的數(shù)據(jù)顯示，根據(jù) MSDN技術(shù)手冊(cè)可知，在Data Recived事件的輔助線(xiàn)程內(nèi)必須用Invoke激發(fā)委托來(lái)訪(fǎng)問(wèn)UI組件，它將會(huì)在恰當(dāng)?shù)木€(xiàn)程上執(zhí)行這些操作，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程安全調(diào)用.

2 .NET的委托類(lèi)型

2.1 委托類(lèi)型簡(jiǎn)介

.NET Fra mewor k定義了稱(chēng)為委托（delegate）的特殊的類(lèi)型，該類(lèi)型提供函數(shù)指針的功能，是具有相同函數(shù)屬性（簽名）的抽象，是一種類(lèi)型安全的方法引用，它可以看成是一個(gè)類(lèi)型安全的C函數(shù)指針，但與C函數(shù)指針不同的是，.NET的委托是面向?qū)ο蠛皖?lèi)型安全的，通用語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)（CLR）會(huì)確保一個(gè)委托指向一個(gè)有效的方法［2－3］.

委托可用于封裝對(duì)“命名”或“匿名”方法的引用，使用委托有三個(gè)步驟，即：聲明、實(shí)例化和激發(fā).委托類(lèi)型聲明的格式為：

修飾符 關(guān)鍵字delegate返回類(lèi)型 委托類(lèi)型名稱(chēng)（參數(shù)列表）；

委托類(lèi)型構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)必須是對(duì)方法（“命名”或“匿名”方法）或lambda表達(dá)式的引用.

2.2 用數(shù)據(jù)接收事件與委托實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程安全訪(fǎng)問(wèn)

基于Serial Port類(lèi)數(shù)據(jù)接收事件處理程序，借助委托實(shí)現(xiàn)UI組件訪(fǎng)問(wèn)，可有如下委托類(lèi)型聲明：public delegate void ShowCall Back（string s）；

假設(shè)主線(xiàn)程中刷新顯示的命名方法為：private void Set Text（string s）｛

／＊訪(fǎng)問(wèn)UI刷新組件顯示的代碼寫(xiě)在這里＊／｝

通過(guò)委托訪(fǎng)問(wèn)Set Text，需要先實(shí)例化委托［4］：Show Call Back d＝ new Show Call Back（Set Text）；

當(dāng)Data Received事件在輔助線(xiàn)程上引發(fā)以后，其事件處理程序通過(guò)委托實(shí)例d即可在輔助線(xiàn)程中訪(fǎng)問(wèn)主線(xiàn)程中的Set Text方法.

.NET并不保證對(duì)接收到的每個(gè)字節(jié)引發(fā)Data Received事件，在該事件發(fā)生時(shí)，可根據(jù)Bytes To－Read屬性確定緩沖區(qū)中尚未讀取的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，通過(guò)循環(huán)讀取數(shù)據(jù)直到Bytes To Read返回0，如此即可讀取緩沖內(nèi)的所有數(shù)據(jù).

對(duì)于所選擇的以PIC微控制器為核心的A／D轉(zhuǎn)換模塊所發(fā)送的8通道A／D值，本文約定通過(guò)串口讀取的數(shù)據(jù)為形如“xxx xxx xxx xxx xxx xxx xxx xxx＼r＼n”的字符串，它以“＼r＼n”為結(jié)束標(biāo)識(shí).Data Received事件處理程序通過(guò)串口讀取8通道A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時(shí)有：String s＝serial Port1.Read－Line（）；調(diào)用Read Line時(shí)要注意設(shè)置串口組件的New Line屬性.讀取數(shù)據(jù)字符串s以后，即可同步或異步激發(fā)委托實(shí)例d訪(fǎng)問(wèn)Set Text.以同步方法Invoke為例，有：

this.Invoke（d，s）；

省略變量s的定義，可以寫(xiě)成：

this.Invoke（d，new object［］｛serial Port1.Read Line（）｝）；

更為簡(jiǎn)潔的寫(xiě)法是：

this.Invoke（new Show Call Back（Set Text），new object［］｛serial Port1.Read Line（）｝）；

圖1所示的在輔助線(xiàn)程中通過(guò)委托訪(fǎng)問(wèn)UI的示意圖描繪了上述委托定義及在輔助線(xiàn)程內(nèi)實(shí)例化委托，并通過(guò)Invoke／BeginInvoke激發(fā)對(duì)命名方法Set Text調(diào)用的整個(gè)過(guò)程.

如果省略委托聲明，還可以使用預(yù)定義委托Event Handler調(diào)用主線(xiàn)程中的方法，參照?qǐng)D1，有this.Invoke（new Event Handler（UIShow））；其中UIShow可定義為

private void UIShow（object sender，Event Args e）｛

／＊讀取串口數(shù)據(jù)，訪(fǎng)問(wèn)UI刷新數(shù)據(jù)顯示＊／｝

圖1 在輔助線(xiàn)程中通過(guò)委托訪(fǎng)問(wèn)UI組件

如果要求輔助線(xiàn)程提供事件數(shù)據(jù)而不是在UIShow方法內(nèi)部讀取待顯示串口數(shù)據(jù)，可選擇使用Event Handler＜TEvent Ar gs＞泛型委托.

.NET還為UI組件提供了一個(gè)特殊的屬性：Contr ol.Invoke Required，它既可以在主線(xiàn)程也可以在輔助線(xiàn)程內(nèi)訪(fǎng)問(wèn)，根據(jù)該屬性值可知調(diào)用方在對(duì)控件進(jìn)行方法調(diào)用時(shí)是否必須使用Invoke方法，因?yàn)檎{(diào)用方可能位于創(chuàng)建控件所在的線(xiàn)程以外的線(xiàn)程中.借助這一屬性，可以按圖2所示流程設(shè)計(jì)主線(xiàn)程與輔助線(xiàn)程共用的訪(fǎng)問(wèn)UI刷新顯示的方法.當(dāng)輔助線(xiàn)程調(diào)用該方法時(shí)，代碼執(zhí)行形如“遞歸調(diào)用”，當(dāng)然它與遞歸是毫無(wú)關(guān)系的.

圖2 主／輔線(xiàn)程共用的UI訪(fǎng)問(wèn)方法設(shè)計(jì)

2.3 Invoke／BeginInvoke的工作原理

Invoke與BeginInvoke方法都需要以委托對(duì)象作為參數(shù)，委托類(lèi)似于回調(diào)函數(shù)的地址，因此調(diào)用者通過(guò)Invoke或BeginInvoke方法可以把需要調(diào)用的函數(shù)地址封送給UI線(xiàn)程.使用同步方法Invoke完成一個(gè)委托方法的封送類(lèi)似于使用Windows API的Send Message函數(shù)給界面線(xiàn)程發(fā)送消息，消息將進(jìn)入消息隊(duì)列（Message Queue）并等待處理.作為一個(gè)異步方法，BeginInvoke則類(lèi)似于使用Post－Message函數(shù)進(jìn)行通信，封送完畢后將不等待委托方法執(zhí)行結(jié)束即返回，調(diào)用者線(xiàn)程不會(huì)被阻塞.不過(guò)調(diào)用者也可以使用EndInvoke方法或者其它類(lèi)似Wait Handle的機(jī)制等待異步操作完成.

通過(guò)Reflector.exe反編譯軟件可知，在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)時(shí)，Invoke和BeginInvoke都使用了 Windows API的Post Message函數(shù)，其中前者的同步阻塞通過(guò)Wait For Wait Handle方法完成.此外，它們還引用通過(guò)循環(huán)向上回溯查找頂級(jí)父控件的Find Marshaling Control方法；使消息進(jìn)入消息隊(duì)列的Enqueue方法、定義一個(gè)新的視窗消息的API Register Window Message，以便通過(guò) Send Message或Post Message發(fā)送（這里僅使用了后者）；獲取與指定窗口關(guān)聯(lián)的進(jìn)程和線(xiàn)程標(biāo)識(shí)符的API Get Window Thread ProcessId及獲取當(dāng)前線(xiàn)程唯一線(xiàn)程標(biāo)識(shí)符的Get Current ThreadId.圖3描繪二者通過(guò)Windows的消息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程安全的UI訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程.

圖3 通過(guò)消息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程安全的UI訪(fǎng)問(wèn)

3 .NET的Thread類(lèi)

3.1 Thread類(lèi)簡(jiǎn)介

.NET的System.Threading命名空間提供進(jìn)行多線(xiàn)程編程的類(lèi)和接口，命名空間中的Thread類(lèi)可創(chuàng)建并控制線(xiàn)程［6］，線(xiàn)程執(zhí)行的代碼通過(guò)Thread Start委托或Parameterized Thread Start（帶參數(shù)的Thread Start）委托指定，使用后者可以向線(xiàn)程過(guò)程傳遞數(shù)據(jù).顯然，借助Thread類(lèi)可以不使用串口組件的內(nèi)置Data Received事件，直接通過(guò)線(xiàn)程類(lèi)與委托實(shí)現(xiàn)同樣的功能.

3.2 用Thread類(lèi)及委托實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程安全訪(fǎng)問(wèn)

仍使用此前設(shè)計(jì)的顯示委托，下面給出Para meterized Thread Start委托及線(xiàn)程類(lèi)Thread實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程安全訪(fǎng)問(wèn)的代碼.以串口數(shù)據(jù)接收與UI訪(fǎng)問(wèn)刷新顯示為例，其中Recv Data方法將在form加載時(shí)調(diào)用，有：

異步接收及顯示數(shù)據(jù)的命名方法如下：

由于“匿名”方法也可以實(shí)例化委托，使用匿名方法時(shí)無(wú)須創(chuàng)建獨(dú)立的方法，可減少實(shí)例化委托所需的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo).例如：

對(duì)于函數(shù)Recv Data，可進(jìn)一步作如下改寫(xiě)：

4 .NET的Background worker類(lèi)

4.1 Backgr ound worker類(lèi)簡(jiǎn)介

System.Component Model命名空間提供用于實(shí)現(xiàn)組件和控件運(yùn)行時(shí)及設(shè)計(jì)時(shí)行為的類(lèi)，其中的Background Worker類(lèi)用于在單獨(dú)的線(xiàn)程上執(zhí)行操作.圖4給出了該類(lèi)的Do＿Wor k事件處理流程.

圖4 Background Worker類(lèi)事件處理流程

主線(xiàn)程通過(guò)Run worker Async引發(fā)Backgr ound worker對(duì)象在輔助線(xiàn)程上處理Do＿Wor k事件以后，在輔助線(xiàn)程中，通過(guò)Report Progress方法可以將數(shù)據(jù)消息封送給主線(xiàn)程中的Progress－Changed事件處理程序；當(dāng)完成所有事務(wù)處理時(shí)，也會(huì)將消息發(fā)給主線(xiàn)程，激發(fā)Run Worker completed事件處理程序.輔助線(xiàn)程上引發(fā)的Do＿Wor k事件處理程序內(nèi)有兩條路徑可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主線(xiàn)程中UI組件的安全訪(fǎng)問(wèn).

4.2 使用Background worker實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程安全訪(fǎng)問(wèn)

仍以串口數(shù)據(jù)接收及主窗體UI訪(fǎng)問(wèn)為例，主窗體加載時(shí)，首先啟動(dòng)后臺(tái)工作者：

Run worker Async使后臺(tái)工作者開(kāi)啟輔助線(xiàn)程執(zhí)行Do＿Work，系統(tǒng)退出時(shí)注意在formClosing事件中停止backgr ound worker1對(duì)象的后臺(tái)工作：

當(dāng)后臺(tái)工作者對(duì)象發(fā)生“進(jìn)度變化”事件時(shí)，由事件處理流程圖可知事件處理程序?qū)⒃谥骶€(xiàn)程上執(zhí)行，故而可以直接訪(fǎng)問(wèn)UI組件：

要持續(xù)讀取串口數(shù)據(jù)并直接訪(fǎng)問(wèn)UI，輔助線(xiàn)程需不斷通過(guò)報(bào)告進(jìn)度方法（Report Progress）觸發(fā)“進(jìn)度變化”事件.下面的代碼中，輔助線(xiàn)程上執(zhí)行的

Do＿Wor k事件處理程序?qū)⒚扛?0 ms執(zhí)行一次“進(jìn)度報(bào)告”：

5 PIC微控制器A／D轉(zhuǎn)換及串口通信設(shè)計(jì)

5.1 8通道A／D轉(zhuǎn)換及串口數(shù)據(jù)傳輸電路

為測(cè)試C＃程序?qū)Υ跀?shù)據(jù)的接收及顯示效果，圖5給出了所選擇的以PIC18F452微控制器為核心的通信測(cè)試模塊，其中8個(gè)10位精度的A／D轉(zhuǎn)換通道（AN0～AN7）分別連接了不同類(lèi)型的模擬信號(hào)，圖中同時(shí)給出了虛擬仿真串口組件（COMPI M）及物理串口（MAX232）［5－6］.

基于HI－TECH PICC18編譯器設(shè)計(jì)的C程序?qū)⒀h(huán)執(zhí)行8通道A／D轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為約定的字符串格式，通過(guò)串口發(fā)送給上位主機(jī)程序接收并刷新圖文顯示.

圖5 8通道A／D轉(zhuǎn)換及串口數(shù)據(jù)傳輸電路

5.2 PIC微控制器串口配置及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

HI－TECH PICC18提供了 USART專(zhuān)用庫(kù)函數(shù)，例如：Open USART用于按指定配置（例如波特率設(shè)置等）打開(kāi)指定串口；puts USART與gets USART分別用于發(fā)送與接收字符串.假設(shè)上位機(jī)控制PIC微控制器A／D啟停的語(yǔ)句為：

PIC微控制器可使用相應(yīng)函數(shù)讀取主機(jī)C＃程序發(fā)送的控制命令，選擇其當(dāng)前工作狀態(tài)；對(duì)于已轉(zhuǎn)換后的當(dāng)前8通道A／D數(shù)據(jù)，則可通過(guò)相應(yīng)函數(shù)向上位主機(jī)發(fā)送［7－8］.

5.3 A／D通道數(shù)據(jù)采集函數(shù)設(shè)計(jì)

函數(shù)ADC＿Convert（）將對(duì)PIC18F452的AN0～AN7通道分別進(jìn)行 A／D轉(zhuǎn)換.由于 HI－TECH PICC18提供了A／D轉(zhuǎn)換專(zhuān)用庫(kù)函數(shù)，ADC＿Convert（）的具體實(shí)現(xiàn)將大為簡(jiǎn)化：

執(zhí)行PIC微控制器8通道A／D轉(zhuǎn)換的函數(shù)：

由于PIC18F452的A／D模塊為10位精度，最大值為0B0000001111111111（即0x03FF），故保存一個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果最多只需要3位十六進(jìn)制數(shù)（即xxx）.PIC微控制器主程序?qū)⒀h(huán)執(zhí)行A／D轉(zhuǎn)換，并將ADC＿Buff中的8組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為形如：“xxx xxx xxx xxx xxx xxx xxxx xxx＼r＼n”的字符串，再通過(guò)puts USART庫(kù)函數(shù)輸出.

6 主機(jī)接收及圖文刷新顯示程序設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程安全的串口數(shù)據(jù)接收及UI訪(fǎng)問(wèn)可以有多種方法，以下選擇通過(guò)Data Received事件及委托實(shí)現(xiàn).下面的C＃程序?qū)⒃赨I組件中實(shí)現(xiàn)8通道轉(zhuǎn)換結(jié)果對(duì)應(yīng)的電壓值的圖文顯示：

輔助線(xiàn)程上執(zhí)行的串口組件數(shù)據(jù)接收事件Data Received的處理程序內(nèi)簡(jiǎn)化編寫(xiě)的唯一語(yǔ)句為：this.Invoke（new Show Call Back （Show＿ADC），new object［］｛serial Port1.Read Line（）｝）；8通道模擬電壓數(shù)據(jù)在基于C＃.NET設(shè)計(jì)的上位機(jī)UI中的圖文刷新顯示效果見(jiàn)圖6.

圖6 C＃程序接收并刷新8通道數(shù)據(jù)顯示

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì) Serial Port及 delegate、Thread、Background worker類(lèi)相關(guān)技術(shù)的研究，給出了.NET開(kāi)發(fā)環(huán)境下線(xiàn)程安全的串口通信程序，并通過(guò)了與PIC18F452微控制器8通道A／D轉(zhuǎn)換及串口通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸與圖文刷新顯示測(cè)試，驗(yàn)證了本文提出的程序設(shè)計(jì)方法的正確性與可靠性，為.NET平臺(tái)的串口通信管理控制與數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)提供了參考.

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