基于MFC的純方位定位系統(tǒng)串口通訊軟件設計

胡科強，王小寧

(海軍91388 部隊，廣東 湛江 524002)

串口通訊是計算機和外設進行通訊，獲取外設采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)的重要手段。基于GPS 和矢量水聽器技術的基陣式水下定位系統(tǒng)來實現(xiàn)對水下目標定位［1］。其獨特性在于以較少水聽器對目標快速被動定位，且具有良好可操作性。為保證定位基陣傳回的加入時間戳的目標方位信息、姿態(tài)修正信息和GPS 定位信息通過串口和主控計算機之間進行高效、可靠、準確的傳輸，數(shù)據(jù)通訊軟件的設計顯得尤為重要［2］。

1 系統(tǒng)總體實現(xiàn)

基陣式水下定位系統(tǒng)工作原理示意圖如圖1 所示。主控計算機要同時采集多路(GPS 接收機、矢量水聽器、電羅經(jīng))經(jīng)串口輸出的原始數(shù)據(jù)，而主控計算機數(shù)據(jù)預處理、定位解算、數(shù)據(jù)關聯(lián)占用CPU 的時間較多。需要采用合理的軟件結(jié)構(gòu)防止串口緩沖區(qū)數(shù)據(jù)溢出、丟數(shù)、死機現(xiàn)象。提高軟件的穩(wěn)定性、可靠性和實時性。線程是操作系統(tǒng)的基本調(diào)度單元，可將某個工作模塊置于獨立的線程中。合理采用多線程技術可以有效地加快程序的反應速度、提高執(zhí)行效率。如果不采用多線程技術，只能首先接收、處理數(shù)據(jù)，再進行解算，CPU 將浪費時間用來等待數(shù)據(jù)，不能保證實時性。因此軟件中目標解算和信息顯示做為主控制線程(監(jiān)控和界面線程)，同時創(chuàng)建一個輔助線程負責數(shù)據(jù)接收，這樣，能最大限度的保證系統(tǒng)工作的實時性。

圖1 系統(tǒng)工作原理示意圖

2 各模塊設計

2.1 串口通信用戶層協(xié)議

浮標端實時接收的來自矢量水聽器、GPS 和羅經(jīng)信息，需要按照統(tǒng)一的格式從串口發(fā)送數(shù)據(jù)同時將接收的數(shù)據(jù)中將需要的信息提取出來，在此采用NMEA-0183 無線通信協(xié)議，該協(xié)議包含了幀頭、幀尾、幀內(nèi)數(shù)據(jù)、校驗、換行，幀內(nèi)數(shù)據(jù)之間用逗號分隔［3］。將浮標各部分數(shù)據(jù)通過組幀程序打包成該協(xié)議格式后采用十六進制傳送出去。

基站端從串口接收數(shù)據(jù)并將其放置于緩存，在沒有進一步處理前在緩存中是一串字節(jié)流，在通過解幀程序?qū)⒏髯侄蔚男畔⑻崛〕鰜怼Ｖ贫ㄍㄐ艆f(xié)議時須考慮通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。終端站實時傳送的參數(shù)包括GPS 接收機給出的終端站自身的定位信息:經(jīng)度、緯度、導航狀態(tài);狀態(tài)參數(shù)包括通信狀態(tài)，數(shù)據(jù)存儲器被占用的情況;水聲處理模塊提供的目標聲學數(shù)據(jù)，這部分數(shù)據(jù)占用了大部分數(shù)據(jù)空間這些數(shù)據(jù)將被打包以幀的形式傳送給控制器。考慮到目標個數(shù)及脈沖數(shù)目的不確定性，用B 表示單個浮標基元在一個通信周期內(nèi)需要傳送的bit 數(shù)，在每同步周期的數(shù)據(jù)包中加入以下信息:

B≥數(shù)據(jù)幀同步頭+數(shù)據(jù)總長度+浮標ID 號+浮標位置數(shù)據(jù)+浮標狀態(tài)數(shù)據(jù)+(目標ID 號+目標方位數(shù)據(jù)+測試狀態(tài)數(shù)據(jù))×目標個數(shù)。

其中:數(shù)據(jù)幀同步頭:16 bit;數(shù)據(jù)總長度:8 bit;浮標ID號:2 bit;浮標位置數(shù)據(jù):經(jīng)度32 bit +緯度32 bit =64 bit;浮標狀態(tài)數(shù)據(jù):1 bit(GPS 定位狀態(tài));目標ID 號:3 bit(目標最大跟蹤數(shù):8 個);目標方位數(shù)據(jù):16bit;測試狀態(tài)數(shù)據(jù):4 bit(表明浮標基元對目標的檢測能力)。

這樣，以上數(shù)據(jù)均考慮了系統(tǒng)進一步擴展的要求，以最大值計算，假設浮標基元數(shù)量M 為3 個，通信接力N 為3 次，每幀聲學數(shù)據(jù)最多為B×M ×N =2 475 bps。選用的GD230電臺數(shù)據(jù)，其傳輸碼速率在9 600 ～19 200 bps，發(fā)射功率為0.1 ～8 W，誤碼率小于10-5，在通信碼速率、通信距離、功耗以及抗干擾性等方面均可以滿足水下定位跟蹤系統(tǒng)的需要。

對數(shù)據(jù)幀邊接收邊處理，當串口緩沖區(qū)中的字符觸發(fā)串口通信事件，驅(qū)動串口通信處理函數(shù)，對接收到的數(shù)據(jù)幀進行處理如圖2 所示。

采用時分多址協(xié)議，實時工作狀態(tài)下采用基站輪詢，集中控制動態(tài)分配時隙的方式，利用簡化的停等ARQ 方式實現(xiàn)差錯控制:

1)基站向浮標發(fā)完數(shù)據(jù)幀后，啟動定時器，若在設定的時間內(nèi)未收到浮標傳回數(shù)據(jù)幀，則將該浮標存入誤傳表;

2)繼續(xù)呼叫另一浮標;

3)從誤傳表中取出浮標MAC 地址并呼叫，令其重傳上一數(shù)據(jù)幀，過程同1、2，將錯誤的浮標地址存入誤傳表;

4)重復1)-3)，最多3 次。

圖2 接收數(shù)據(jù)處理協(xié)議

2.2 基于API 的多線程串口通信

利用Win32 操作系統(tǒng)具有的多線程、消息響應和通信事件驅(qū)動等機制，采用Win32 中對串口進行異步操作的API 函數(shù)，編寫實時高效的串行通信程序［4］。

主控軟件必須具有多任務并行處理能力，典型情況為當系統(tǒng)進入目標跟蹤狀態(tài)時，主控軟件要同時處理串口數(shù)據(jù)，實時解算目標位置，接受指揮人員的控制指令。為了使系統(tǒng)軟件能在Windows 環(huán)境下多任務并行處理，采用多線程來實現(xiàn)多任務控制［5-6］。

MFC 應用程序的線程由CWinThread 對象表示，分為主線程如圖3 所示和工作者線程如圖4 所示，前者能提供界面和用戶交互，用于處理用戶輸入并對各事件和消息進行響應;后者主要用于處理程序的后臺任務，即負責實時數(shù)據(jù)的不間斷接收。

使用Win32API 函數(shù)進行串口通信編程，調(diào)用AfxBeginThread()自動創(chuàng)建CWinThread 對象，開始一個進程，VC++通過事件對象來實現(xiàn)線程同步。使用ClearCommError函數(shù)查詢輸入緩沖區(qū)是否有字符，如果有，發(fā)送消息通知接受處理函數(shù);如果沒有，則調(diào)用WaitCommEvent 函數(shù)監(jiān)視EV_RXCHAR 通信事件，執(zhí)行I/O 重疊操作，隨即調(diào)用GetOverlappedResult 函數(shù)無限等待通信事件，直到EV_RXCHAR 事件發(fā)生，則結(jié)束等待。如果只用ClearCommError 函數(shù)，工作者線程將不斷耗費CPU 時間來進行查詢，效率較低;如果只用WaitCommEvent 函數(shù)監(jiān)視，對緩沖區(qū)已有字符將不會產(chǎn)生EV_RXCHAR 事件，易造成數(shù)據(jù)延誤和丟失。兩方法聯(lián)合使用兼顧效率和可靠性。

while (pDoc- ＞m_hConnected){

//當串口已連接，執(zhí)行下面程序

PurgeComm(pDoc - ＞m_hComm，PURGE_RXCLEAR|PURGE_TXCLEAR|PURGE_RXABORT|PURGE_TXABORT);

for(;;){//無限循環(huán)，直到關閉線程

bResult = WaitCommEvent(pDoc - ＞m_hCom，＆Event，＆port- ＞m_ov);

if(!bResult){

switch (GetLastError()){

case ERROR_IO_PENDING{

break ;}

default ;{

break ;}}}

else {

bResult = ClearCommError (pDoc - ＞ m _ hCom，＆dwErrorFlag，＆ComStat);

if(ComStat.cbInQue= =0)//緩沖區(qū)無數(shù)據(jù)

continue ;}

//無限等待，阻礙該線程，直到等待的事件到來。

//等待的事件有:

m_hEventArray［0］=m_ShutdownEvent;

m_hEventArray［1］=m_ov.hEvent;

Event=WaitForSingleObject(pDoc - ＞m_hPostMsgEvent，INFINITE);

ResetEvent(pDoc- ＞m_hPostMsgEvent);//通知視圖

switch (Event){

case WAIT_OBJECT_0;{//關閉串口事件

AfxEndThread(100);

break ;}

case WAIT_OBJECT_1;{//讀事件

GetCommMask(port- ＞m_hCom，＆CommEvent);

if (CommEvent＆EV_RXCHAR){

//接收到數(shù)據(jù)

port- ＞ReadFromPort(); //讀串口

CMyProtocol::run();//通信協(xié)議PostMessage(pDoc- ＞m_hTermWnd，CM_RECEIVE，0，(LPARAM)EV_RXCHAR);//向主窗體發(fā)送處理串口事件的命令

break ;}}}//close forever loop

closeHandle(m_ov.hEvent);

return 0;}}

圖3 主程序流程

圖4 工作者線程流程

2.3 串口通信類設計

串口類封裝了系統(tǒng)對串口的所有公共操作。

class CComm{

private

CCirQueue m_CirQueue; //循環(huán)隊列對象，用來緩存接受的數(shù)據(jù)。

HANDLE m_hShutdownEvent; //關閉事件句柄，用于在關閉程序時關閉線程。

CWinThread* m_Thread; //線程指針，指向監(jiān)視該串口的線程。

CWnd * pWnd;//該串口對應的窗體指針

public

BOOL InitPort(CWnd* pWnd，int PortID，int BandRate);//串口初始化函數(shù)

void ReadFromPort();//串口讀函數(shù)

void WriteToPort(unsigned char * ch，int num);//串口寫函數(shù)

void ProcessCommand();//數(shù)據(jù)處理函數(shù)

static UNIT WatchComm(LPVOID pParam);//串口監(jiān)視

public

CComm();//構(gòu)造函數(shù)

virtual ～CComm();};//析構(gòu)函數(shù)

環(huán)形隊列類CCirQue:

環(huán)形緩沖區(qū)需要有一個讀指針(位置)和寫指針(位置)。其中讀指針由讀數(shù)據(jù)接口來移動，寫指針由寫數(shù)據(jù)接口來移動。在讀出和寫入數(shù)據(jù)時，要分別考慮 讀指針超前與滯后寫指針2 種情況。該類封裝了一個環(huán)形隊列，定義一個緩沖區(qū)(該緩沖區(qū)把該數(shù)組看作是一個環(huán)，支持在一塊固定的數(shù)組上的無限次讀和寫，數(shù)組的大小不會自動變化)用于暫時存取主控計算機通過串口采集到的數(shù)據(jù)。又定義了對該緩沖區(qū)的一些操作，如GetCount()(獲得隊列中的元素個數(shù))，IsFull()判斷隊列是否滿。

Class CCirQue{

public

bool IsEmpty();//判斷隊列是否空

unsigned char GetQueue();//獲得隊首元素

unsigned char DeQueue();//提取隊首元素

void EnQueue(unsigned char ch);//向隊列中插入元素

CCirQue();

Virtual ～CCirQue();

CCritialSection m_buffCriSect;//循環(huán)隊列臨界區(qū)

};

在對緩沖區(qū)的所有操作都用到臨界區(qū)CCritialSection 類和Clock 類來保證串口通信同步的要求。

3 結(jié)束語

結(jié)合基陣式水下定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的需求，對多線程、串口通信、異步I/O、通信用戶協(xié)議技術原理和實現(xiàn)方法進行分析探討，并為通信系統(tǒng)封裝了串口類和環(huán)形緩沖類，它們功能強大，具有較好的移植性和控制靈活性。實際應用表明多線程技術應用于串口通信，可以提高程序的執(zhí)行效率，使程序并行工作。用戶在進行費時的I/O 操作、實時解算的同時也可以進行用戶需求響應。

［1］BECHAZ C，THOMAS H. GIB portable tracking systems:the underwater use of GPS［J］. Hydro International，2000(8):1-9.

［2］顧曉東. 基于矢量水聽器的水下目標被動跟蹤研究［D］.武漢:海軍工程大學，2009.

［3］龔建偉，熊光明.Visual C ++ /Turbo C 串口通信編程實踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［4］候俊杰.深入淺出MFC［M］.2 版.武漢:華中科技大學出版社，2010.

［5］LIU S，LIU J.The Serial Communication Program using Windows API［J］.Computer Applications，2002，20(2):43-44.

［6］晏春海，田蔚風，王俊璞，等.多線程技術在分時串口通信中的應用［J］.儀表技術與傳感器，2004(5):15-17.