基于DLL實現(xiàn)上位機與三自由度轉(zhuǎn)臺之間的串口通信

史禮婷，張 騫，皮本杰，高佳雋，李春權(quán)

（1.航天行云科技有限公司，武漢 430040；2.湖北航天科工集團總體設(shè)計所，武漢 430040）

1 引言

具有自動、章動、進動的三自由度轉(zhuǎn)臺，是飛行器進行動態(tài)性能測試的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各類飛行器模擬試驗，特別是研究彈丸或引信在空中的飛行試驗，經(jīng)常需要利用轉(zhuǎn)臺進行地面飛行狀況的模擬。

在轉(zhuǎn)臺的模擬試驗中，需要通過計算機良好的人機界面和強大的數(shù)據(jù)處理功能，對其進行控制。而其他設(shè)備與計算機進行數(shù)據(jù)通信的方法中，串口通信是經(jīng)常使用的方法之一，它具有實現(xiàn)簡單、使用靈活、數(shù)據(jù)傳輸可靠等有點，因而應(yīng)用廣泛[1]。

在具體工程實踐中，遇到兩個較大問題：一是三自由度轉(zhuǎn)臺既要實現(xiàn)實時控制，又要周期返回大量狀態(tài)信息，I/O數(shù)據(jù)量較大，導(dǎo)致程序處理速度降低。二是由于工程設(shè)計需要，轉(zhuǎn)臺程序需要在多個系統(tǒng)中復(fù)用。

為解決上述問題，本文設(shè)計了多線程的處理程序，并將串口和轉(zhuǎn)臺之間的通信協(xié)議進行了DLL封裝，具有以下優(yōu)點：一是提高內(nèi)存利用率。采用多線程技術(shù)，大大提高程序I/O處理能力，提高工作效率。二是簡化主程序開發(fā)。將協(xié)議解析和使用分開，簡化主控制程序的開發(fā)工作量。將串口訪問、協(xié)議解析、組幀等進行封裝，主控制程序的調(diào)用相對簡單，不必理解協(xié)議具體內(nèi)容，簡化了主程序的開發(fā)。三是采用模塊化開發(fā)設(shè)計，便于升級和維護。將通信協(xié)議封裝在DLL里，協(xié)議有修改時，動態(tài)鏈接庫可獨立升級調(diào)試，不影響主控制軟件，便于維護。四是提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和安全性。DLL可以用不同的編程語言進行開發(fā)和調(diào)用，只要接口確定，內(nèi)部可以獨立設(shè)計，相對安全、適應(yīng)性高。

2 多線程的設(shè)計

2.1 串口通信的設(shè)計

串口通信的實現(xiàn)通常有三個辦法：一是利用mscomm通信控件；二是采用微軟提供的內(nèi)置的串口操作類System.IO.SerialPort；三是通過API函數(shù)。前兩種方法編程實現(xiàn)起來簡單，但是靈活性有所欠缺；第三種方法雖然編程難度較大，但是高效、自由、靈活，且能避免高速緩存中緩存溢出的缺點，因此，本文采用第三種方法。

圖1 串口通信操作步驟

如圖1所示，本文對串口使用采用以下幾個步驟：

（1）打開轉(zhuǎn)臺串口。由于串口是獨占性資源，因此，在應(yīng)用程序設(shè)計中，需要避免因打開已占用的串口引發(fā)的錯誤。

（2）設(shè)置波特率等串口通信參數(shù)。利用GetCommState函數(shù)獲取串口當(dāng)前配置，根據(jù)需要更改BuildCommDCB結(jié)構(gòu)中的參數(shù)，利用SetCommState函數(shù)設(shè)置串口通信參數(shù)。

（3）啟動串口監(jiān)控，即啟動串口相關(guān)線程（具體見2.2節(jié)）。

（4）數(shù)據(jù)收發(fā)。向轉(zhuǎn)臺發(fā)送指令進行控制；對串口數(shù)據(jù)接收，將接收到轉(zhuǎn)臺的數(shù)據(jù)解析

（5）關(guān)閉串口。在不需要使用此串口時，需關(guān)閉串口，釋放資源。

2.2 線程設(shè)計

現(xiàn)今主流操作系統(tǒng)大多是多進程系統(tǒng)，即系統(tǒng)內(nèi)可同時運行多個進程，而每個進程也可以同時執(zhí)行多個線程。每個進程都有一個主線程，同時，可以建立另外的多個線程，進程中的各個線程都是并行執(zhí)行的[1]。對于本系統(tǒng)，有大量的I/O測試數(shù)據(jù)，要想獲得較高的用戶體驗，創(chuàng)建多線程是最好的選擇。

在轉(zhuǎn)臺模擬試驗中，數(shù)據(jù)接收和發(fā)送是兩個相對獨立的過程，其中接收的部分?jǐn)?shù)據(jù)是按設(shè)置的時間周期定時返回，接收頻率有可能會比較高，發(fā)送控制指令相對來說比較隨機，需要根據(jù)試驗設(shè)計的操作流程來確定。根據(jù)這些特點，可以在程序中將讀線程和寫線程分開，創(chuàng)建兩個專門的線程來分別讀取和發(fā)送串口的數(shù)據(jù)，如圖2所示，線程設(shè)計解釋如下：

圖2 通信線程設(shè)計

（1）主線程：用來響應(yīng)用戶的各種操作，處理其他線程的各種響應(yīng)。

（2）讀線程：監(jiān)聽串口，響應(yīng)各種串口消息事件，如標(biāo)準(zhǔn)事件EX_RXCHAR，響應(yīng)接收到字符事件；事件EX_RXFLAG，響應(yīng)接收到事件字符、置入輸入緩存區(qū)事件；事件EV_CTS，響應(yīng)準(zhǔn)許發(fā)送數(shù)據(jù)事件等。

（3）寫線程：向串口寫數(shù)據(jù)，采用API函數(shù)WriteFile實現(xiàn)，當(dāng)有寫入錯誤需要返回錯誤代碼。

（4）中斷線程：中斷線程的優(yōu)先級最高，用戶或轉(zhuǎn)臺隨時可以中斷讀和寫操作信號，提高程序的安全性和健壯性。

2.3 線程間的同步

由于同一個進程中的所有的線程共享同一虛擬地址空間，且線程的中斷是匯編語言級的，所以有可能會出現(xiàn)線程沖突、阻塞或錯誤，因此需要采取線程同步措施來避免這些問題[1]。

（1）重疊I/O方式。線程的執(zhí)行采用重疊I/O方式，避免了程序因等待函數(shù)返回而阻塞線程的問題，本文在CreateFile時傳遞OVERLAPPED結(jié)構(gòu)參數(shù)，如果進行I/O操作的API函數(shù)返回后并沒有完成需要的操作，則調(diào)用GetOverLappedResult函數(shù)，來等待知道I/O操作完成后返回。

（2）臨界區(qū)對象。臨界區(qū)是一段代碼，在任意給定的時刻只能被一個線程使用，如果有兩個以上的線程同時訪問臨界區(qū)，只允許一個線程使用，其他線程保持等待或被阻塞。在初始化串口、讀串口、寫串口這些重要操作時，可以利用臨界區(qū)，避免重要操作沖突或阻塞。

在實現(xiàn)時利用全局變量來統(tǒng)一控制臨界區(qū)的使用，本文定義了全局變量CRITICAL_SECTION m_csComnuSync，用Enter-CriticalSection函數(shù)進入臨界區(qū)，LeaveCriticalSection釋放對臨界區(qū)的使用權(quán)。

（3）事件對象。事件對象時指用戶在程序中使用內(nèi)核對象的有無信號狀態(tài)實現(xiàn)線程間的同步。通過API函數(shù)CreateEvent用于創(chuàng)建事件對象；SetEvent設(shè)置其為有信號狀態(tài)；ResetEvent設(shè)置無信號狀態(tài)。

（4）等待函數(shù)。等待函數(shù)是用來暫時掛起線程，待到監(jiān)控對象產(chǎn)生一定信號則繼續(xù)執(zhí)行該線程，避免對CPU的過多占用，提高程序的執(zhí)行效率。利用WaitforSingleObject監(jiān)控單個同步對象，用WaitForMultipleObject同時監(jiān)控多個同步對象。

3 通信協(xié)議設(shè)計

本文將采用動態(tài)鏈接庫（DLL）對通信協(xié)議進行封裝，主測試程序負責(zé)提供給測試人員操作界面相關(guān)功能，如串口打開、指令發(fā)送、指令解析、日志記錄等操作；DLL內(nèi)實現(xiàn)具體的協(xié)議組幀、協(xié)議解析、串口初始化、線程啟動、串口讀、串口寫、關(guān)閉串口等功能，程序流程設(shè)計如圖3所示。

圖3 程序設(shè)計流程圖

具體設(shè)計如下：

（1）對于協(xié)議的實現(xiàn)，本文從協(xié)議發(fā)送和接收兩個方面出發(fā)進行設(shè)計。

（2）設(shè)計了協(xié)議處理類CFrameData和指令參數(shù)結(jié)構(gòu)體strOrderParam，strOrderParam定義如下：

（3）在主程序?qū)χ噶钸M行發(fā)送時，只需設(shè)置外環(huán)、中環(huán)、內(nèi)環(huán)的指令參數(shù)，統(tǒng)一調(diào)用協(xié)議處理類里面的SetOrder函數(shù)即可。

（4）協(xié)議的解析，采用解析函數(shù)MatchAnswerString來處理，如果協(xié)議解析成功，函數(shù)將返回CFrameData對象指針。

（5）CFrameData類定義了一系列協(xié)議解析的返回的參數(shù)，如利用GetMsg來返回幀解析字符串，GetAngel來獲取外環(huán)、中環(huán)、內(nèi)環(huán)的具體數(shù)值等。

4 DLL的調(diào)用

本文的DLL采用MFC規(guī)則的動態(tài)鏈接庫，在DLL中有一些必須導(dǎo)出的函數(shù)，可以采用以下關(guān)鍵字將函數(shù)或類進行導(dǎo)出：可以使用導(dǎo)出關(guān)鍵字__declspec（dllexport）來聲明導(dǎo)出；關(guān)鍵字AFX_EXT_CLASS來聲明導(dǎo)出類；關(guān)鍵字extern “C”可以使編寫的函數(shù)供其他編程語言使用。

由程序設(shè)計分析得出，需要導(dǎo)出的接口如下：

（1）串口控制類。包含串口控制對象，以及串口打開、配置串口、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收、關(guān)閉串口等串口控制函數(shù)，便于主程序調(diào)用控制實現(xiàn)同時操作多個串口。

（2）串口中斷函數(shù)。主程序可采用發(fā)送消息的方式，向DLL發(fā)送中斷消息，從而觸發(fā)DLL中的中斷函數(shù)，停止串口收發(fā)數(shù)據(jù)。

（3）協(xié)議發(fā)送控制和接收解析函數(shù)。協(xié)議調(diào)用的接口函數(shù)主要包括以下兩個部分：一是提供統(tǒng)一的指令發(fā)送接口函數(shù)，供主程序調(diào)用后，在DLL內(nèi)完成組幀發(fā)送操作；二是提供統(tǒng)一的解析接口函數(shù)，將轉(zhuǎn)臺的狀態(tài)數(shù)據(jù)返回，顯示在主程序界面中。

5 試驗與結(jié)論

程序采用Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)平臺，開發(fā)語言為VC++，主程序開發(fā)語言為同一語言。程序界面如圖4所示。在工程實踐中，用于飛行試驗中對轉(zhuǎn)臺的通信控制試驗，試驗未出現(xiàn)信號中斷或異常，控制效果良好。

圖4 主程序界面

6 結(jié)束語

本文將協(xié)議和串口通信封裝在DLL中，并基于DLL實現(xiàn)了上位機與三自由度轉(zhuǎn)臺之間的串口通信。這種處理方法通信速度快、節(jié)省資源、簡化主程序的開發(fā)過程、遵循模塊化程序設(shè)計思想，具有較強的可拓展性和實用性，在轉(zhuǎn)臺試驗中得到了較好的應(yīng)用。