VS環境下PLC實時數據采集系統中兩種定時器的使用

郭 宇，陳年生，方曉平

(湖北師范學院 計算機科學與技術學院， 湖北 黃石 435002)

0 引言

自動化技術的進步使得實時控制系統得到越來越廣泛的應用，實時采集數據是系統中重要的部分，這個過程直接影響控制質量和生產效率，因此對定時器精度和實時性要求相當高，工業控制軟件定時精度需達到毫秒級。

在以往DOS操作系統中，用戶可以容易且精確地控制采樣精度，這得益于對硬件的直接操作。現在主流的Windows操作系統，提供了豐富的圖形界面，人機交互友好，使用方便，用戶卻難以對底層硬件進行直接操作。另外，Windows是一個基于消息機制的操作系統，各個應用程序都有自己的消息隊列[1]，這樣可能會帶來諸如低優先級消息不能得到及時響應等問題。PLC廣泛應用于工業自動化控制，現擬對某PLC中D寄存器數據進行實時采樣。在Windows環境使用Visual Studio開發工具編寫PLC數據采集的上位機軟件，通過視窗和操作系統來完成定時任務，這樣對實時性就提出了挑戰，以下將著重介紹軟件中使用的兩種定時器。

1 兩種定時器

1.1 WM_TIMER定時器

WM_TIMER定時器是Windows操作系統自帶的一種定時器，使用起來方便簡單，因此也經常被使用。

其實現原理是先由SetTimer()函數在內存中創建一個定時器，并在參數中設置好定時間隔，每當達到設定時間，系統就會發出一個WM_TIMER消息，并由相應的響應函數(回調函數)去做處理。定時器使用完后由KillTimer()函數釋放。

相關函數如下：

1)SetTimer() 創建定時器；

2)OnTimer() 消息響應函數，由用戶編寫處理事件的代碼；

3)KillTimer() 中止定時器，釋放定時器資源。

對SetTimer()函數作如下說明：

UINT_PTR SetTimer(

UINT_PTR nIDEvent.

//nIDEvent是定時器編號ID，倘若有多個定時器，可通過ID識別

UINT nElapse,

//用戶設定的時間間隔，以ms為單位

TIMERPROC lpTimerFunc

//回調函數

);

其中最后一個參數lpTimerFunc是處理定時器消息的回調函數，在這個函數里面由程序設計人員添加處理事件的代碼。這個參數也可以設為NULL，此時將使用系統默認的響應函數OnTimer()。

在Visual Studio 2010環境中，使用類向導生成OnTimer()函數：在類視圖中右擊需要定時器的類，選擇“類向導”，在彈出來的對話框中的“消息”選項卡下選擇“WM_TIMER”，點擊“添加處理程序”，這樣類中就會自動生成OnTimer()函數。程序人員在該函數中添加實現功能的代碼，每隔設定的時間都會執行一次該函數，本例就是在OnTimer()函數中添加采集PLC內D寄存器數據的代碼，其流程如圖1所示。

圖1 WM_TIMER定時器采集數據的程序框圖

VS2010作為開發工具，在對話框類中實現定時器功能：

1)在啟動按鈕中創建定時器

void CDDataDlg::OnBnClickedStart()

{

// TODO: 在此添加控件通知處理程序代碼

...

SetTimer(1,200,NULL);

}

2)數據采集，使用類向導自動生成

void CDDataDlg::OnTimer(UINT_PTR nIDEvent)

{

// TODO: 在此添加消息處理程序代碼/或調用默認值

...

實現數據采集的代碼

...

}

3)在結束按鈕中關閉定時器，釋放資源

void CDDataDlg::OnBnClickedEnd()

{

// TODO: 在此添加控件通知處理程序代碼

KillTimer(1);

}

1.2 多媒體定時器

微軟公司在其多媒體Windows中提供了精確定時器的底層API(應用程序編程接口)支持，相對于WM_TIMER定時器，多媒體定時器的設計要稍顯復雜，但是精度更高。

使用多媒體定時器需要包含頭文件Mmsystem.h，其接口函數位于mmsystem.dll的動態鏈接庫中，多媒體計時器的設計包括以下函數：

1)timeGetDevCaps() 獲取定時器所支持的最大和最小精度，不同的PC機由于硬件配置的不同獲取的精度范圍可能有所差異；

2)timeBeginPeriod() 設置定時器的定時精度，其參數可由timeGetDevCaps()函數獲取；

3)timeEndPeriod() 清除定時器精度，釋放定時器資源；

4)timeKillEvent() 刪除定時器事件。

5)MMRESULT timeSetEvent(

UINT uDelay,

//以毫秒設定定時周期

UINT wAccuracy,

//以毫秒指定延時的精度，默認值為1ms

LPTIMECALLBACK lpTimeProc,

//回調函數，用戶自定義，定時調用

DWORD dwUser,

//存放回調數據

UINT fuEvent

//指定定時器事件類型：

//TIME_ONESHOT：uDelay毫秒后只產生一次事件

//TIME_PERIODIC：每隔uDelay毫秒周期性地產生事件

);

該函數設置一個定時回調事件，此事件可以是一個一次性事件或者是周期性事件。事件一旦被激活，即調用指定的回調函數，成功則返回事件的標識符代碼，否則返回NULL.

6)static VOID CALLBACK TimeProc() 回調函數是由開發者自己編寫的周期性執行的函數。回調函數可以定義為相應的類成員函數或者全局函數。C++的類成員都有一個自動隱藏的私有成員this指針，如果回調函數定義為類的普通成員函數，函數類型與CALLBACK函數預設類型不相同。這時要定義為靜態類型，屏蔽this指針，然而靜態成員函數只能訪問靜態成員，不便操作，所以，回調函數一般定義為全局函數[2]。

在使用多媒體定時器時，將需要周期性循環執行的任務定義在 lpTimeProc回調函數中(定時采樣、控制等)，通過調用timeSetEvent()函數觸發回調函數，完成所需處理的任務。定時器使用完畢后，應及時調用timeKillEvent()釋放。如圖2所示，簡要概括了使用多媒體定時器的基本流程。

圖2 多媒體定時器采集數據的程序框圖

Visual Studio 2010為開發工具，使用多媒體定時器對PLC內D寄存器數據進行實時采集，主要步驟和代碼如下：

1)包含頭文件，定義全局變量

#include 'Mmsystem"

#pragma comment(lib, "Winmm.lib")

HWND hWnd;//窗口句柄

UINT uTimerID;//定時器句柄

UINT uResolution;//定時器分辨率

在BOOL CDDataAquisitionDlg::OnInitDialog()中添加代碼：

hWnd=this->m_hWnd;

2)定義回調函數，用于處理需要周期性執行的任務，即采集數據

static VOID CALLBACK ProFunc(UINT uTimerID, UINT uMsg, DWORD dwUser, DWORD dw1, DWORD dw2)

{

...

采集數據

...

}

3)啟動定時器，觸發2)中回調函數

BOOL TimerStart(UINT &wAccuracy,UINT uDelay,UINT &TimerID,LPVOID fptc,DWORD dwUser)

{

TIMECAPS tc;

if(timeGetDevCaps(&tc,sizeof(TIMECAPS))==TIMERR_NOERROR)

{

//分辨率的值不能超出系統的取值范圍

wAccuracy = min(max(tc.wPeriodMin,1),tc.wPeriodMax);

//設置定時器的分辨率

timeBeginPeriod(wAccuracy);

}

else

return FALSE;

//啟動定時器

TimerID=timeSetEvent(uDelay,wAccuracy,(LPTIMECALLBACK)fptc,dwUser,TIME_PERIODIC);

if(TimerID==0) return FALSE;

return TRUE;

}

4)關閉定時器，釋放定時器資源

void TimerEnd(UINT uTimerID,UINT &uResolution)

{

//刪除定時事件

timeKillEvent(uTimerID);

if(lpuPeriod != NULL)

//清除定時器分辨率

timeEndPeriod(uResolution);

}

2 兩種定時器的比較

支持WM_TIMER定時器的底層硬件中斷頻率是18.2Hz，即每隔至少54.945ms中斷一次。我們知道，Windows是一個基于消息機制的搶占式操作系統，操作系統給每個應用程序都建立一個消息隊列，而且消息隊列中常有大量的消息等待處理[3]，一旦系統資源緊張或者CPU被占用，隊列中的消息將被掛起，不能得到實時響應。另外，WM_TIMER消息的優先級很低，排在其他消息(WM_PAINT除外)之后響應，一個消息隊列中只允許有一個WM_TIMER消息，倘若遇到系統繁忙處理一個消息超時，后面產生的多個相同ID的消息會合并成一個，所以該定時器對消息的處理在數目上可能出現錯誤，時間上甚至出現“丟秒”的現象。顯然WM_TIMER定時器不適用于精度要求較高的控制系統中，但是WM_TIMER定時器使用起來很方便，而且相當安全，可以在定時函數中進行幾乎任何操作也不用擔心死機的問題。即使出現處理超時的情況，也不會引起系統崩潰。

多媒體定時器的工作原理和WM_TIMER定時器不同，多媒體定時器并不依賴消息機制，而是提供硬件中斷服務，并且Windows提供了高精度定時器的底層API支持。timeSetEvent()函數產生獨立的線程，直接調用回調函數，不存在消息隊列和優先級的問題，是一種理想的高精度定時器，最小精度可以達到1ms。在使用多媒體定時器的過程中要注意：定時器線程結束前不可再次啟動定時器，這樣容易迅速出現死機現象[4]。任務處理的時間不能大于周期間隔時間，不然會引起程序崩潰。定時器是系統資源，使用完畢之后應該釋放，分辨率也要清除，以免降低系統響應的速度。

最后，通過在Visual Studio中設計實驗做形象對比，建立單文檔的MFC工程，在View類中作圖，使條帶長度從0開始隨時間而動態增加，可在任意時刻執行暫停，同時生成條帶圖形并讀取長度。在程序中添加多個WM_TIMER定時器和多媒體定時器。實驗中，每個定時器都設置一個時間間隔(可更改)，擬使每個時間間隔內條帶的長度都增加1個單位長度。當時間間隔設置的很小，只有十幾毫秒甚至一毫秒時，從圖3可以看出，WM_TIMER定時器對時間間隔的差異并不敏感，可見這些時間間隔不在其定時精度范圍，而多媒體定時器卻十分精準，精確到1ms.當時間間隔達到幾百毫秒或者秒級時，如圖4所示，兩種定時器幾乎沒有差異。此實驗在不同的機型上測試過，如Intel奔騰雙核，主頻2.5GHz的長城電腦和Intel酷睿i5，主頻為3.1GHz的啟天M4350等，都有相同的實驗結果。

綜上所述，WM_TIMER定時器實現過程較為簡單、安全，主要用于對定時要求不高，采樣周期較長的系統中；而多媒體定時器可以用于精度要求較高，采樣周期較短的控制系統中。

圖3 定時間隔只有幾毫秒時兩種定時器對比

圖4 定時間隔幾百毫秒時兩種定時器對比

3 結束語

編寫此上位機軟件的目的是對PLC內D寄存器的數據進行實時采集，在開發過程中，先是選擇了WM_TIMER定時器，使用很方便，用于采樣周期較長(幾百毫秒)的任務時，還是有著良好的效果。若是遇到精度要求較高，采樣周期只有幾毫秒的任務，就必須使用多媒體定時器完成任務。本文兩種定時器的設計方法均在當前流行的Visual Studio 2010中調試通過，并且在具體應用中切實可行。

參考文獻：

[1]王光輝. 深入分析Windows消息機制[J]. 電腦與電信,2011,02:69～70+73.

[2]王 偉,徐國華. 多媒體定時器在工業控制中的應用[J]. 微型機與應用,2001,12:8～10.

[3]卓紅艷,趙 平. 基于VC++的實時數據采集系統中定時器的使用與比較[J]. 現代電子技術,2007,18:80～82.

[4]黃兆祥,郭麥成,沈利香. Win9x下實時數據采集的實現[J]. 微計算機信息,2003,11:34～35.