金剛石合成控制系統(tǒng)中多串口通信技術(shù)的設計與實現(xiàn)
摘要：通過多串口通信技術(shù)在金剛石合成控制系統(tǒng)中的應用，討論了32位Windows操作系統(tǒng)下，VC多串口通信技術(shù)的設計與實現(xiàn)方法，并運用面向?qū)ο蠓椒ê投嗑�程技術(shù)設計了一個比較完善的串口通信類。闡述了用VC開發(fā)上位機與PLC之間的串口通信程序設計方法和實現(xiàn)技術(shù)。關(guān)鍵詞：串口通信；面向?qū)ο蠓椒ǎ欢嗑�程；PLC
１引言
傳統(tǒng)的金剛石合成機控制系統(tǒng)是由一個ＰＬＣ和一個可顯示終端構(gòu)成。這種傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)一般具有如下缺點：
(１)系統(tǒng)所有的工作都由ＰＬＣ完成，其控制精度較差，致使合成的金剛石質(zhì)量較差；
(２)顯示終端的平面尺寸過小，這一方面使得操作人員觀察系統(tǒng)的狀態(tài)很不方便，另一方面?也常常會引起誤操作；
(３)金剛石合成工藝復雜，需控制的參數(shù)很多，但原控制系統(tǒng)不能對參數(shù)進行保存，這樣在根據(jù)不同產(chǎn)品和工藝要求對部分參數(shù)進行調(diào)整時，每次都必須重新設置所有的參數(shù)，操作非常麻煩；
（４）界面不友好；
（５）不能通過控制系統(tǒng)自動考核操作人員的工作質(zhì)量。
為了提高控制精度、方便操作，開發(fā)新的控制系統(tǒng)迫在眉睫。筆者針對以上問題，將ＩＰＣ與ＰＬＣ有機結(jié)合在一起，開發(fā)了一套新的控制系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可在上位機（ＩＰＣ）和ＰＬＣ之間通過ＲＳ－２３２與ＲＳ－４８５進行大量串口通信。
２ＶＣ串口通信分析
在３２位Ｗｉｎｄｏｗｓ系統(tǒng)下使用ＶＣ開發(fā)串口通信程序通常有如下４種方法：
（１）使用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ公司提供的名為ＭＳＣＯＭＭ的通信控件；
（２）直接使用Ｗｉｎｄｏｗｓ應用程序接口（ＡＰＩ）；
（３）自行設計一個串口通信類；
（４）通過開發(fā)一個ＡｃｔｉｖｅＸ控件來實現(xiàn)串口通信功能。
在上述幾種方法中，實際上還是使用ＷｉｎｄｏｗｓＡＰＩ函數(shù)，然后把串口通信的細節(jié)給封裝起來，同時提供給用戶幾個簡單的接口函數(shù)。上述幾種方法各有優(yōu)缺點，但在實際情況下，大多數(shù)編程人員喜歡使用ＡＰＩ函數(shù)自行設計串口通信類。
用ＷｉｎｄｏｗｓＡＰＩ函數(shù)進行串口通信的編程流程如圖１所示。其中打開串口是確定串口號與串口的打開方式；初始化串口用于配置通訊的波特率、每字節(jié)位數(shù)、校驗位、停止位和讀寫超時等；讀寫串口用于向串口進行發(fā)送數(shù)據(jù)和從串口接收數(shù)據(jù)；關(guān)閉串口用于將串口關(guān)閉并釋放串口資源（Ｗｉｎｄｏｗｓ系統(tǒng)下串口是系統(tǒng)資源）。
由于絕大多數(shù)控制系統(tǒng)中串口通信是比較費時的，而且監(jiān)控系統(tǒng)還要進行數(shù)據(jù)處理和顯示等，所以一般采用多線程技術(shù)，并用ＡｆｘＢｅｇｉｎＴｈｒｅａｄ（）函數(shù)創(chuàng)建輔助線程來管理串口通信，這樣，主進程就能在進行串口讀寫的同時，處理數(shù)據(jù)并完成用戶指令的響應，但是設計時一定要處理好數(shù)據(jù)的共享問題。
串口讀寫既可以選擇同步、異步方式，也可以選擇查詢、定時讀寫和事件驅(qū)動方式。由于同步方式容易造成線程阻塞，所以一般采用異步方式；而查詢方式要占用大量的ＣＰＵ時間，所以一般采用定時讀寫或者事件驅(qū)動方式，事件驅(qū)動方式相關(guān)文獻較多，故此重點討論定時讀寫方式。定時讀寫方式就是上位機向下位機發(fā)送固定格式的數(shù)據(jù)，在下位機收到后向上位機返回狀態(tài)信息數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)的傳輸需要時間，所有上位機發(fā)送數(shù)據(jù)后就調(diào)用＿ｓｌｅｅｐ（）函數(shù)進行休眠，休眠的時間可根據(jù)需要進行不同的設置。這樣，可以節(jié)省ＣＰＵ時間，以使系統(tǒng)能夠很好地進行監(jiān)控工作和處理其它事務。
３ＶＣ串口通信的設計與實現(xiàn)
筆者在Ｗｉｎｄｏｗｓ系統(tǒng)下，采用面向?qū)ο蟮姆椒ê投嗑�程技術(shù)，并使用ＶｉｓｕａｌＣ６．０作為編程工具開發(fā)了一個通用串口通信類ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ，該ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ類封裝了串口通信的基本數(shù)據(jù)和方法，下面給出ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ類的簡單介紹。
ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ類頭文件中的主要成員變量和成員函數(shù)如下：
ＣｌａｓｓＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ
{
ｐｒｉｖａｔｅ:
ＨＡＮＤＥＬｍ_ｈＰｏｒｔ;
ＤＣＢｍ_Ｄｃｂ;
ＣＯＭＭＴＩＭＥＯＵＴＳｍ_ＴｉｍｅＯｕｔｓ;
ＤＷＯＲＤｍ_Ｅｒｒｏｒ;
Ｐｕｂｌｉｃ:
ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ();??／／構(gòu)造函數(shù)
ｖｉｒｔｕａｌ～ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ();??／／析構(gòu)函數(shù)
／／ＩｎｉｔＰｏｒｔ()函數(shù)實現(xiàn)初始化串口
ＢＯＯＬＩｎｉｔＰｏｒｔ(
ｃｈａｒ＊ｓｔｒ＝“ｃｏｍ１”,
ＵＩＮＴＢａｕｄＲａｔｅ＝９６００,
ＵＩＮＴＰａｒｉｔｙ＝０,
ＵＩＮＴＢｙｔｅＳｉｚｅ＝８,
ＵＩＮＴＳｔｏｐＢｉｔｓ＝１,
ＵＩＮＴＲｅａｄＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ＝０,
ＵＩＮＴＲｅａｄＣｏｎｓｔａｎｔ＝０,
ＵＩＮＴＷｒｉｔｅＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ＝１０,
ＵＩＮＴＷｒｉｔｅＣｏｎｓｔａｎｔ＝１０００);
ＤＣＢＧｅｔＤＣＢ();?／／獲得ＤＣＢ參數(shù)
／／ＳｅｔＤＣＢ()函數(shù)實現(xiàn)設置ＤＣＢ參數(shù)
ＢＯＯＬＳｅｔＤＣＢ(
ＵＩＮＴＢａｕｄＲａｔｅ＝９６００,
ＵＩＮＴＰａｒｉｔｙ＝０,
ＵＮＩＴＢｙｔｅＳｉｚｅ＝８,
ＵＩＮＴＳｔｏｐＢｉｔｓ＝１);
／／ＧｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ()函數(shù)獲得超時參數(shù)
ＣＯＭＭＴＩＭＥＯＵＴＳＧｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ();
／／ＳｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ()函數(shù)設置超時參數(shù)
ＢＯＯＬＳｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ(
ＵＩＮＴＲｅａｄＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ＝０,
ＵＩＮＴＲｅａｄＣｏｎｓｔａｎｔ＝０,
ＵＩＮＴＷｒｉｔｅＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ＝１０,
ＵＩＮＴＷｒｉｔｅＣｏｎｓｔａｎｔ＝１０００);
／／ＷｒｉｔｅＰｏｒｔ()函數(shù)實現(xiàn)寫串口操作
ｖｏｉｄＷｒｉｔｅＰｏｒｔ(ＨＡＮＤＬＥｐｏｒｔ,ＣＳｔｒｉｎｇ);
ＣＳｔｒｉｎｇＲｅａｄＰｏｒｔ(ＨＡＮＤＬＥｐｏｒｔ);／／讀串口操作
ＢＯＯＬＣｌｏｓｅＰｏｒｔ();?／／關(guān)閉串口
};
下面對該類的重要函數(shù)作以說明：
(１）在構(gòu)造函數(shù)ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ（）中已對該類的數(shù)據(jù)成員進行了初始化操作。
（２）初始化串口函數(shù)ＩｎｉｔＰｏｒｔ（）函數(shù)用于完成串口的初始化工作，包括打開串口、設置ＤＣＢ參數(shù)、設置通信的超時時間等。
打開串口使用ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（）函數(shù)，其中ＩｎｉｔＰｏｒｔ（）函數(shù)中的第一個參數(shù)為要打開的串口，通常將該參數(shù)賦給ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（）函數(shù)中的第一個參數(shù)；設置ＤＣＢ參數(shù)應調(diào)用該類中的ＳｅｔＤＣＢ（）函數(shù)，并將ＩｎｉｔＰｏｒｔ（）函數(shù)中的第２至第５參數(shù)賦給ＳｅｔＤＣＢ（）函數(shù)；設置通信的超時時間應調(diào)用該類中的ＳｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ（）函數(shù)，并將ＩｎｉｔＰｏｒｔ（）函數(shù)中的第６至第９參數(shù)賦給ＳｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ（）函數(shù)。另外，該串口是系統(tǒng)資源，應該根據(jù)不同要求對其安全屬性進行設置。
（３）ＳｅｔＤＣＢ（）函數(shù)用于設置ＤＣＢ參數(shù)，包括傳輸?shù)牟ㄌ芈省⑹欠襁M行奇偶校驗、每字節(jié)長度以及停止位等。
（４）ＳｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ（）函數(shù)用于設定訪問的超時值，根據(jù)設置的值可以計算出總的超時間隔。前面兩個參數(shù)用來設置讀操作總的超時值，后面兩個參數(shù)用來設置寫操作總的超時值。
（５）ＷｒｉｔｅＰｏｒｔ（）函數(shù)用來完成向串口寫數(shù)據(jù)。由于該系統(tǒng)需要對多個串口進行通信，所以首先應把串口號作為參數(shù)傳遞給該函數(shù)；接著該函數(shù)把按參數(shù)傳遞過來的、要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行編碼（也就是加入校驗，這樣能減少誤碼率），然后再調(diào)用ＷｉｎｄｏｗｓＡＰＩ函數(shù)ＷｒｉｔｅＦｉｌｅ（）并把數(shù)據(jù)發(fā)送到串口。
（６）ＲｅａｄＰｏｒｔ（）函數(shù)用來完成從串口讀數(shù)據(jù)，由于有多個串口，所以應把串口作為參數(shù)傳遞進來，然后調(diào)用ＡＰＩ函數(shù)ＲｅａｄＦｉｌｅ（），并把下位機發(fā)送到串口，數(shù)據(jù)讀出來放到緩存里面，接著對數(shù)據(jù)進行處理以將其變換成字符
串（ＣＳｔｒｉｎｇ）類型并返回。
（７）ＧｅｔＤＣＢ（）函數(shù)主要用于獲得串口的當前配置，可通過調(diào)用ＡＰＩ函數(shù)ＧｅｔＣｏｍｍＳｔａｔｅ（）來實現(xiàn)，然后再進行相應的處理。
（８）ＧｅｔＴｉｍｅＯｕｔｓ（）函數(shù)用于獲得訪問超時值。
（９）ＣｌｏｓｅＰｏｒｔ（）函數(shù)可用來關(guān)閉串口。因為在Ｗｉｎｄｏｗｓ系統(tǒng)中串口是系統(tǒng)資源，因而在不用時，應將其釋放掉，以便于其它進程對該資源的使用。
４基于串口通信的金剛石合成控制
金剛石合成控制系統(tǒng)采用主從式控制方式，上位機為微機、下位機為ＰＬＣ。上位機的主要功能是對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，下位機的主要功能是對系統(tǒng)進行實時控制。上位機采用Ｗｉｎｄｏｗｓ９８操作系統(tǒng)，其監(jiān)控程序可用ＶＣ開發(fā)，上、下位機之間通過ＲＳ－２３２與ＲＳ－４８５串口進行通信，它們之間采用的通信波特率為９６００ｂｐｓ，無奇偶校驗，每字節(jié)８位，并有１位停止位。上、下位機之間傳送的數(shù)據(jù)格式可自己定義。由于傳輸數(shù)據(jù)時可能會引起錯誤，所以加入了校驗算法。該系統(tǒng)通過上位機向下位機發(fā)送數(shù)據(jù)，下位機收到后就把當前系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)返回給上位機。由于該系統(tǒng)中所控制的參數(shù)具有遲滯性，所以應采用定時發(fā)送數(shù)據(jù)的方法來采集現(xiàn)場狀態(tài)信息。
上位機編程時，可用ＶＣ６．０生成一個對話框類型的程序框架，然后將自己編寫的ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ類加入到該工程中，并在主界面類?ＣＣｒｙｓｔａｌ?中添加一個ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ類的成員變量ｓｅｒｉａｌ。當監(jiān)控系統(tǒng)開始工作時，可用ＡｆｘＢｅｇｉｎＴｈｒｅａｄ??函數(shù)創(chuàng)建輔助線程來管理串口通信，當調(diào)用ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ類中的ＷｒｉｔｅＰｏｒｔ??函數(shù)向串口發(fā)送數(shù)據(jù)后，可調(diào)用＿ｓｌｅｅｐ??函數(shù)使輔助線程休眠一段時間，以便使ＰＬＣ有充分的時間返回數(shù)據(jù)；接著再調(diào)用ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ類中的ＲｅａｄＰｏｒｔ（）函數(shù)并從串口讀數(shù)據(jù)，然后再調(diào)用＿ｓｌｅｅｐ（）函數(shù)使輔助線程再休眠一定的時間。這樣設計后，當進行串口通信時，主線程就能繼續(xù)完成監(jiān)控功能和處理其他事務。輔助線程函數(shù)的主要代碼如下：
ＵＩＮＴＳｅｒｉａｌＰｒｏ（ｖｏｉｄ＊ｐａｒａｍ）
{
Ｃｃｒｙｓｔａｌ＊ｍｄｌｇ＝（Ｃｃｒｙｓｔａｌ＊）ｐａｒａｍ?
ＣＳｔｒｉｎｇｓｔｒ；
ｉｎｔｆｌａｇ＝１；
／／如果初始化串口失敗返回
ｉｆ（！ＩｎｉｔＰｏｒｔ（“ｃｏｍ２”））
{ＡｆｘＭｅｓｓａｇｅＢｏｘ（“打開串口２失敗”）；
ｒｅｔｕｒｎ０；
}
／／循環(huán)讀寫串口，直到結(jié)束
ｗｈｉｌｅ（ｆｌａｇ）
{
／／這里把要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送給變量ｓｔｒ
……
／／向串口寫數(shù)據(jù)
ｍｄｌｇ－＞ｓｅｒｉａｌ．ＷｒｉｔｅＰｏｒｔ(ｈｐｏｒｔ，ｓｔｒ);
／／讓輔助線程休眠１００ｍｓ
＿ｓｌｅｅｐ(１００);
／／從串口讀數(shù)據(jù)并賦給變量ｓｔｒ
ｓｔｒ＝ｍｄｌｇ－＞ｓｅｒｉａｌ．ＲｅａｄＰｏｒｔ(ｈｐｏｒｔ);
／／這里把從串口得到的數(shù)據(jù)進行處理
……
５結(jié)束語
運用面向?qū)ο蠓椒ê投嗑�程技術(shù)設計的通用串口通信類ＣＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ類，通過對ＷｉｎｄｏｗｓＡＰＩ函數(shù)的封裝使串口通信變得簡單方便、容易維護。目前，該軟件系統(tǒng)已成功地應用于金剛石合成控制系統(tǒng)，并成功解決了ＲＳ－２３２與ＲＳ－４８５兩種串口通信的問題。經(jīng)過幾個月的運行表明，該串口通信軟件工作穩(wěn)定，出色地完成了系統(tǒng)的實時監(jiān)控和顯示任務。此外，由于采用了面向?qū)ο蟮姆椒ê湍K化設計，該軟件的維護和升級十分方便；同時該系統(tǒng)具有很好的移植性，按照不同需求稍微改動一些代碼就可以應用于其它控制系統(tǒng)中。
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