基于MSCOMM的雷情實時處理軟件的設(shè)計

祁 春，毛小玲，房 瑾

（中國飛行試驗研究院 陜西 西安 710089）

飛行試驗是航空技術(shù)發(fā)展與航空武器裝備研制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，近年來隨著新型飛機(jī)的不斷涌現(xiàn)，特別是多機(jī)編隊協(xié)同試飛科目的增多，給地面實時監(jiān)控的遙測資源帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了解決這一突出矛盾，在多機(jī)編隊協(xié)同試飛科目中利用雷情數(shù)據(jù)是節(jié)約寶貴的遙測資源和提高整體試飛效率的一種有效途徑。針對雷情數(shù)據(jù)采用RS232串口通信的特點，本文介紹了基于MSCOMM控件實現(xiàn)雷情數(shù)據(jù)實時接收與處理的方法。同時，作為面向?qū)ο蟮目梢暬_發(fā)工具Visual C++，在PC的串口通信方面具有很強(qiáng)的功能，且代碼執(zhí)行效率高[1]，是本軟件開發(fā)的首選開發(fā)平臺。同時，在數(shù)值分析等復(fù)雜計算方面實現(xiàn)了VC與Matlab的混合編程，有效提高了軟件開發(fā)效率并保證了雷情數(shù)據(jù)擬合與插值計算的正確性。目前該軟件已成功應(yīng)用于多機(jī)編隊協(xié)同試飛科目的實時監(jiān)控任務(wù)，緩解了對遙測資源的需求壓力。

1 功能組成與通信實現(xiàn)方式

1.1 功能組成

在多機(jī)編隊協(xié)同試飛科目中，雷情實時處理軟件根據(jù)通信協(xié)議負(fù)責(zé)對導(dǎo)航雷達(dá)綜合處理系統(tǒng)發(fā)送的雷情數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實時解析、誤碼剔除、目標(biāo)篩選和參數(shù)計算等工作，并將結(jié)果數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)分發(fā)至各監(jiān)控客戶機(jī)進(jìn)行實時監(jiān)控。所以，從功能上軟件主要由配置、串口通信、實時處理、存儲和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送等模塊組成，如圖1所示。其中，串口通信和實時處理模塊是整個軟件的核心部分，也是本文討論的重點。

圖1 雷情實時處理軟件功能組成Fig.1 Functional components of the software

1.2 通信實現(xiàn)方式

目前在Windows系統(tǒng)平臺下開發(fā)串口通信應(yīng)用程序主要有兩種方式：1）利用 Windows的 API函數(shù)；2）利用MSComm控件[2-3]。前者可根據(jù)實際需求對軟件進(jìn)行功能裁剪，使用靈活，但代碼實現(xiàn)較繁瑣；后者是Microsoft公司為簡化串口通信編程的復(fù)雜度而設(shè)計開發(fā)的ActiveX控件[4]，具有事件驅(qū)動和查詢兩種工作模式[5]，利用自身提供的屬性和方法可快速實現(xiàn)與PC機(jī)的串口通信。因此，為了簡化雷情實時處理軟件編程的復(fù)雜度，且針對實時監(jiān)控任務(wù)要求和數(shù)據(jù)信息有效長度變化的特點，采用MSComm控件及事件驅(qū)動模式更能有效保證通信數(shù)據(jù)的完整性和實時性，其應(yīng)用設(shè)置及關(guān)鍵代碼如圖2所示。

圖2 MSComm的應(yīng)用設(shè)置Fig.2 Apply setting of the MSComm

首先利用GetPortOpen函數(shù)對串口資源使用情況進(jìn)行檢測，使端口資源處于釋放狀態(tài)。然后用SetInBufferSize函數(shù)設(shè)置接收緩存的大小（以字節(jié)為單位），該大小應(yīng)大于實際通信中最大一幀數(shù)據(jù)的長度，以防止數(shù)據(jù)溢出。由于雷情數(shù)據(jù)中含有不可見字符，所以數(shù)據(jù)檢取應(yīng)采用二進(jìn)制方式，即SetInputMode（1）。協(xié)議格式的設(shè)定可通過SetSettings函數(shù)設(shè)置，如圖 2 中的字符串“115200，N，8，1”，其參數(shù)字段分別代表波特率、奇偶效驗方式、數(shù)據(jù)位和停止位。針對雷情數(shù)據(jù)的特點，SetRThreshold（1）表示當(dāng)接收緩存區(qū)有1個及以上字符時將觸發(fā)接收事件，以提高數(shù)據(jù)處理的實時性。最后，用SetPortOpen（TRUE）函數(shù)打開端口，完成串口的設(shè)置。值得注意的是，在通信之前常常需要調(diào)用SetInputLen（0）函數(shù)，它將引起MSComm讀取整個接收緩存區(qū)，以清空緩存中初始的隨機(jī)內(nèi)容。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)接收與處理技術(shù)

雷情數(shù)據(jù)包含了特定空域內(nèi)所有飛機(jī)的信息，具有信息長度不固定和存在較多無效信息內(nèi)容的特點，為了準(zhǔn)確獲取指定目標(biāo)飛機(jī)的信息，需要完成目標(biāo)挑選、信息有效性判斷和可變數(shù)據(jù)信息的接收與處理。在MSComm事件觸發(fā)函數(shù)中可利用函數(shù)GetInput獲取緩存數(shù)據(jù)，其返回值的類型為VARIANT，它是一種特殊的數(shù)據(jù)類型，直接操作較為繁瑣。為了簡化數(shù)據(jù)獲取，設(shè)計中利用GetInput的VARIANT類型返回值構(gòu)造一個COleSafeArray類對象來實現(xiàn)的。COleSafeArray類是用來處理任意類型和維數(shù)的數(shù)組的類，是從OLE VARIANT結(jié)構(gòu)派生而來的，利用其成員函數(shù)GetOneDimSize即可獲得本次緩存區(qū)字符個數(shù)，然后利用GetElement將數(shù)據(jù)格式化到定義好的字節(jié)數(shù)組中以待進(jìn)一步處理。因此，靈活轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)類型可使數(shù)據(jù)接收簡單化。

雷情數(shù)據(jù)通信格式如圖3所示，每一幀的開始均采用了雙同步設(shè)置。由于在通信過程中每次從緩存中讀取的數(shù)據(jù)并不是一個完整的數(shù)據(jù)幀，因此在處理上并不能直接對數(shù)據(jù)緩存進(jìn)行操作，而是需要對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，直至找到完整的數(shù)據(jù)幀。本軟件在處理上采用了雙指針法，其處理過程如圖3所示。

圖3 雷情數(shù)據(jù)幀處理方法Fig.3 The processing method of data frames

1）當(dāng)檢取接收緩存區(qū)數(shù)據(jù)時，指針Ptr1根據(jù)函數(shù)GetOne DimSize獲取的字節(jié)數(shù)，對接收緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)逐字節(jié)進(jìn)行分析，并存入處理緩存中，當(dāng)找到SynWord1并且下一字節(jié)是SynWord2時，記錄Ptr1在處理緩存中的位置Pos1，代表數(shù)據(jù)幀起始位置；

2）利用指針Ptr2尋找下一幀的 SynWord1，如果本次沒有找到，則將下次到來的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理，利用指針Ptr2繼續(xù)尋找，當(dāng)找到下一幀的SynWord1時記錄位置Pos2，則完整的數(shù)據(jù)幀即為[Pos1，Pos2-1]區(qū)段上的數(shù)據(jù)。

3）為了提高數(shù)據(jù)處理效率，如果完整幀數(shù)據(jù)長度（Pos2-Pos1）小于最小有效數(shù)據(jù)長度則進(jìn)行拋棄處理，否則對飛機(jī)代碼進(jìn)行判別，如果是需求的目標(biāo)機(jī)數(shù)據(jù)，則對數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行分析處理。

4）為了防止處理緩存溢出，在尋找一下完整數(shù)據(jù)幀前，從標(biāo)記Pos2位置的字節(jié)開始，將剩余字節(jié)數(shù)據(jù)從處理緩存首地址開始存放，并使指針Ptr1從首地址開始尋找SynWord1，如果下一字節(jié)為SynWord2，記錄Ptr1位置Pos1；

5）重復(fù) 2）、3）、4），如此循環(huán)處理。

2.2 多線程及線程消息

多線程技術(shù)的應(yīng)用使得軟件在實現(xiàn)雷情數(shù)據(jù)幀的接收、分析與處理的同時，可以顯著提高軟件的運行性能，避免界面操作出現(xiàn)假死現(xiàn)象。在實現(xiàn)上，將雷情數(shù)據(jù)的接收和雷情數(shù)據(jù)的分析處理分別置于不同的線程當(dāng)中，由主線程MSComm事件觸發(fā)函數(shù)實現(xiàn)接收緩存區(qū)中數(shù)據(jù)的讀取，在子線程中完成分析與處理工作。雷情數(shù)據(jù)多線程處理方法如圖4所示。

圖4 雷情數(shù)據(jù)多線程處理方法Fig.4 The processing method of multithreading

為了防止各線程同時對共有緩存區(qū)進(jìn)行讀寫操作而出現(xiàn)不可預(yù)知的結(jié)果，利用多線程同步技術(shù)對共有緩存區(qū)進(jìn)行保護(hù)，使得在同一時刻只允許一個線程對共有緩存區(qū)進(jìn)行讀取或者寫入操作，確保數(shù)據(jù)正確解析。常用的線程同步技術(shù)主要有互斥對象、事件對象和關(guān)鍵代碼段等。但是，互斥對象和事件對象都屬于內(nèi)核對象，利用內(nèi)核對象進(jìn)行線程同步速度較慢，而關(guān)鍵代碼段工作在用戶方式下，同步速度較快且使用較為簡單[6]，所以，利用關(guān)鍵代碼段能更好地滿足雷情數(shù)據(jù)實時處理要求。在接收線程和處理線程中分別在共有緩存區(qū)前調(diào)用EnterCriticalSection函數(shù)，在訪問完緩存數(shù)據(jù)后，調(diào)用LeaveCriticalSection函數(shù)。需要注意關(guān)鍵代碼段這兩個函數(shù)必須是成對出現(xiàn)的，否則另一線程會因無法獲取所有權(quán)而無法執(zhí)行。

Windows通信基于消息機(jī)制的[7]，采用線程的消息隊列可解決數(shù)據(jù)接收線程和數(shù)據(jù)處理線程間通信及協(xié)同運行問題。線程消息，即數(shù)據(jù)接收線程收到雷情數(shù)據(jù)后，利用PostThreadMessage函數(shù)向數(shù)據(jù)處理線程發(fā)送特定的消息，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為LPARAM類型傳遞出去。PostThreadMessage函數(shù)會立即返回，而不用等待投遞的消息被處理完。防止消息得不到及時處理導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收線程無法執(zhí)行而丟失數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理線程利用GetMessage函數(shù)循環(huán)查詢指定消息，當(dāng)收到PostThreadMessage函數(shù)發(fā)送的消息后，從MSG消息結(jié)構(gòu)中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.3 VC與Matlab混合編程

目標(biāo)機(jī)雷情數(shù)據(jù)更新率是1pps，為了滿足實時監(jiān)控至少4pps數(shù)據(jù)更新率的要求，本設(shè)計采用VC6.0與Matlab混合編程實現(xiàn)了數(shù)據(jù)擬合與插值計算。利用Matlab編譯工具將調(diào)有Matlab polyfit函數(shù)的M文件轉(zhuǎn)為C動態(tài)庫文件供VC使用，以利用Matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析計算能力，減輕VC在復(fù)雜數(shù)值計算方面的編程負(fù)擔(dān)，確保處理的正確性，且這種方式可以實現(xiàn)脫離Matlab運行環(huán)境。

由生成的頭文件可知，VC與動態(tài)庫函數(shù)的數(shù)據(jù)交互是通過mxArray來實現(xiàn)的，mxArray是一種復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對應(yīng)于Matlab的Array類型。所以VC與Matlab混合編程的重點在于參數(shù)的傳遞與交互上，其實現(xiàn)的關(guān)鍵代碼如下：

//定義代表X/Y坐標(biāo)軸的mxArray類型變量用于參數(shù)傳遞

mxArray PointX， PointY ，mRes；

double*m_result；

//創(chuàng)建 PointNum*1的雙精度double類型數(shù)組，mxREAL代表元素為實數(shù)

PointX=mxCreateDoubleMatrix（PointNum，1，mxREAL）；

PointY=mxCreateDoubleMatrix（PointNum，1，mxREAL）；

mRes=mxCreateDoubleMatrix（PointNum-1，1，mxREAL）；

//將接收到雷情數(shù)據(jù)存儲在mxArray類型數(shù)組

memcpy （mxGetPr （PointX），XData， PointNum*sizeof（double））；

memcpy （mxGetPr （PointY），YData， PointNum*sizeof（double））；

//注意：動態(tài)庫中的函數(shù)名稱加有ml前綴，形參和M函數(shù)文件定義不一樣，增加了輸出變量數(shù)和函數(shù)值的指針返回形式

mlMyNiHe（1，&mRes， PointX， PointY，3）；

//獲取處理結(jié)果，使用C指針指向mxArray結(jié)果數(shù)組

m_result=mxGetPr（mRes）；

…

//開辟的mxArray類型數(shù)組空間的銷毀，釋放資源

mxDestroyArray（PointX）；

mxDestroyArray（PointY）；

mxDestroyArray（mRes）；

3 結(jié)束語

雷情數(shù)據(jù)實時處理軟件能夠同時接收和分析處理多架目標(biāo)機(jī)的雷情數(shù)據(jù)，并將結(jié)果數(shù)據(jù)組播至各個監(jiān)控席位驅(qū)動畫面的運行。該軟件的成功研制有效緩解了現(xiàn)今緊張的遙測資源，特別是在多機(jī)編隊試飛任務(wù)中，雷情數(shù)據(jù)實時處理軟件提供的目標(biāo)機(jī)數(shù)據(jù)信息完全滿足實時監(jiān)控要求，是解決資源緊缺問題的一種有效實現(xiàn)途徑，已經(jīng)成功應(yīng)用于多機(jī)編隊試飛任務(wù)的實時監(jiān)控當(dāng)中。

軟件采用模塊化設(shè)計思想，并利用微軟MSComm控件快速實現(xiàn)與PC機(jī)的串口通信，采用多線程設(shè)計并靈活運用線程消息機(jī)制提高了數(shù)據(jù)處理效率和軟件運行性能；在數(shù)據(jù)的接收上，利用雙指針法實現(xiàn)了幀識別和拼接處理；同時，為了滿足實時監(jiān)控對數(shù)據(jù)更新率的要求，采用VC和Matlab混合編程實現(xiàn)了數(shù)據(jù)擬合和插值運算，將數(shù)值分析計算任務(wù)交由Matlab工具函數(shù)完成，彌補了VC在復(fù)雜運算方面的不足，減輕了編程負(fù)擔(dān)和提高了軟件研制效率。

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