POS實時監控軟件多線程通信設計及實現

劉艷群，朱莊生

（1.北京航空航天大學 慣性技術重點實驗室，北京100191；2.北京航空航天大學 新型慣性技術儀表與導航系統技術國防重點學科實驗室，北京100191）

0 引 言

位置姿態測量系統 （position and orientation system，POS）［1，2］主要由慣性測量單元 （inertial measurement unit，IMU）、全球定位系統 （global position system，GPS）、POS計算機系統 （POS computer system，PCS）和后處理軟件組成［3］，因此POS系統是一個復雜且有大量數據信息傳遞和存儲的系統。從POS工程應用背景的需求來說，需要對POS系統進行實時監控，但要實現對POS系統的實時監控，首要解決是通信問題。監控軟件常用監控接口有串口、USB口、網口等。監控軟件一般采用單一的接口作為監控接口，但這種方式會導致監控能力受到接口性能的限制。例如：串口數據傳輸速度和傳輸距離導致監控軟件只能實現低速、短距離的監控；以太網雖能實現高速、遠距離監控，但大數據量的傳輸會造成數據流阻塞和資源浪費。

本文基于Windows Socket的網絡數據傳輸和MSComm串口通信原理，設計基于TCP/IP 協議的流式套接字的網絡數據傳輸和MSComm 串口監控多線程通信系統，實現對POS系統的數據傳輸及系統的監控，消除了單一監控接口的弊端，充分利用了不同通信方式的優勢，實現優勢互補，具有很好的工程應用價值。

1 多線程通信方法

1.1 POS系統

POS的基本工作原理如圖1所示，系統由IMU 和POS導航計算機兩大部分組成，POS導航計算機集成了系統供電單元、GNSS接收單元、數據處理單元、數據存儲單元等；IMU 由加速計、陀螺儀和溫度傳感器等各類傳感器構成。利用IMU 可實時連續地測量載體的角速度和加速度信息，通過積分運算可得載體的位置、速度和姿態等參數，但由于積分運算會導致誤差的積累而引發導航結果的發散；GNSS單元通過獲取衛星信號實時解算得到高精度的位置信息，但其數據更新率低；因此將兩者組合起來，綜合二者的優點，實現優勢互補，經過平滑、事后差分等后處理，可以獲得更高精度的位置姿態信息。

圖1 POS的基本工作原理

由于POS應用于各種載荷，POS接口也從單一的串口向多樣的、高速、可靠接口發展，目前POS 的接口資源有：串口RS－232、串口RS－422、CAN 口、以太網等。

由于串口RS－232和RS－422結構簡單，編程簡易，已廣泛作為工業通信的一種手段。串口RS－232的最大傳輸距離約為15m，最大傳輸速率為460800b/s；串口RS－422的最大傳輸距離約為1200 多米，最大傳輸速率為10Mb/s。但串口RS－232、RS－422 通信的可靠性低，抗噪聲干擾性弱，以及其傳輸速度和傳輸距離的限制，使其通信能力受到嚴重的局限。

CAN 總線屬于工業現場總線，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。與一般的通信總線相比，CAN 總線網絡各節點之間的數據通信實時性強，通信速率最高可達1Mb/s，但傳輸距離與速率成反比例。CAN 總線適用于大數據量短距離或者長距離小數據量，實時性要求比較高的通信。

以太網通信是一種高速、可靠的通信方式，目前10、100Mb/s的快速以太網已開始廣泛應用，1Gb/s以太網技術也逐漸成熟。且通信網絡具有更高的帶寬和性能，通信協議有更高的靈活性，是任何一種通信手段所無法比擬得。

根據各接口的特點，在POS中串口主要用于器件間的低速數據傳輸，如與監控上位機間的數據傳輸；CAN 總線通信主要用于與載荷間的高速數據傳輸；以太網通信主要用于高速數據的存儲傳輸。本文提出一種多線線程的通信方案，采用以太網通信和串口通信并行使用，解決了高速數據傳輸和實時監控的問題。

1.2 多線程通信設計總體方案

MFC中有兩類線程，分別稱之為用戶界面線程和工作者線程。用戶界面線程擁有自己的消息隊列和消息循環來處理界面消息，可以與用戶進行交互；工作者線程沒有消息循環，一般用來完成后臺計算和維護任務。本文提出的多線程方法總臺方案是：在工作者線程中開啟一個以太網通信工作線程，利用Windows Socket 控件建立了基于TCP/IP協議的以太網通信［4－7］，在軟件后臺運行，實現與POS系統高速數據的傳輸；在用戶界面線程運行串口通信線程，利用MSComm 控件設計串口通信［8－11］，實現與用戶的交互，實現對POS系統狀態的實時監控；利用工作者線程與用戶界面線程擁有各自的消息響應機制，不會產生干擾的特性，實現了以太網和串口并行通信。總體設計方案流程如圖2所示。

圖2 多線程通信設計流程

2 多線程通信設計

2.1 串口通信設計

MSComm 控件有兩種處理通信的方式，一種是事件驅動方式；另一種是定時或不定時查詢方式。本次設計要實現對POS系統的實時監控，因此對程序的實時性和速度要較高要求，所以本次設計選擇了事件驅動方式。串口通信設計流程如圖3所示。

（1）對MSComm 控件的進行初始化配置

將MSComm 控件通信端口設置為端口1；波特率為9600，無校驗位，8位數據位，1位停止位；以二進制方式接收數據；當緩沖器有數據就觸發OnComm 事件；每次都將緩沖區的數據全部接收。

（2）編寫OnComm 事件處理函數

利用GetCommEvent（）函數獲取串口事件，當返回值為2時表示緩沖區有數據；將緩沖區的數據提取出來。

（3）利用SetPortOpen函數打開串口

BOOL CMSComm：：SetPortOpen （BOOL Value）

當Value設置為TURE 時串口打開；設置為FALSE則串口關閉。

（4）利用函數通過串口向POS系統的下位機發送指令

2.2 以太網通信設計

Windows Socket支持兩種類型的套接字，即流式套接字 （SOCK ＿STREAM）和數據報套接字 （SOCK ＿DGRAM）。因為POS系統的復雜性，和考慮系統安全可靠性要求，本次設計采用的是流式套接字。且采用TCP/IP協議，上位機監控軟件作為客戶端，POS系統作為服務器。以太網通信設計流程如圖4所示。

圖4 以太網通信流程

（1）以太網初始化，加載套接字數據庫，創建流式套接字，將套接字設為非阻塞模式。

（2）利用WSAAsyncSelect函數建立套接字的事件通知

（3）添加網絡事件處理函數OnSockt。

（4）利用connect函數創建與POS系統服務器的連接

2.3 多線程設計

多線程設計流程如圖2所示。串口通信界面線程位于主線程中，完成MSComm 控件的初始化后，就開啟串口通信界面線程，因此多線程的設計主要是針對以太網工作線程設計。

（1）創建Windows Socket工作線程的入口函數

DWORD WINAPI ThreadFun（LPVOID pThread）

創建工作線程時，首先要先建立線程的入口函數，當工作線程被啟動后會轉入該函數，并且函數退出時工作線程就會結束。ThreadFun是入口函數名，也就是工作線程開始執行時代碼所在的函數地址，pThread是工作線程傳遞的入口函數的參數。如2.1節所述WSAAsyncSelect函數實現套接字自主監控網絡事件的功能，一旦啟動該函數，將啟動一個網絡事件監控的一個線程，因此若在主線程即界面線程中就調用該函數，則會與串口消息的OnComm 事件處理函數發生沖突，因此將在工作線程的入口函數調用WSAAsyncSelect函數，為其開辟另一個工作線程，實現網絡通信和串口通信的并行執行。

（2）利用CreatThread函數創建Windows Socket工作線程

參數lpThreadAttributes用來決定線程句柄是否可以被子線程繼承，此處將其設為NULL，令返回的句柄不能被繼承；參數dwStackSize指定新線程的堆棧的大小，將其設為0，線程將與進程的主線程堆棧相同；參數lpStartAddress是指向線程的入口函數，即2.3 節 （1）中所建立的函數；參數lpParameter是線程傳遞給線程入口函數的參數；參數dwCreationFlags設為0，使得線程產生后立即執行；參數lpThreadId用來存放返回線程ID。

（3）利用Terminate Thread函數終止線程

BOOL Terminate Thread （HANDLE hThread，DWORD dwExitCode）；

3 界面設計及實驗驗證

3.1 界面設計

3.1.1 設計通信接口配置界面

界面由兩部分組成，一個是MSComm 串口通信配置；另一個是Windows Socket 套接字的配置。效果如圖5所示。

通過對相關參數的配置，實現了對MSComm 串口和Windows Socket套接字的初始化，只要啟動連接則建立了與POS系統的連接，可以實現數據傳輸和系統監控。

3.1.2 串口監控主界面設計

監控界面由三大部分組成，一是系統的通信狀態顯示；二是系統的工作狀態顯示；三是系統的工作參數顯示。效果如圖6所示。

3.2 實驗驗證

實驗采用北京航空航天大學研制的1.5代光纖POS系統，測試系統如圖7所示。

圖5 通信接口配置界面

圖6 串口監控主界面

圖7 測試系統結構

測試結果：POS系統靜態測試實驗驗證了，多方式通信并行性的可行性，上位機既能實時通過串口監控POS系統的工作狀態，同時能通過網口實時存儲GPS接收機的實時衛星導航結果數據。圖8和圖9是測試結果。

圖8 上位機實時串口監控結果

圖9 網口實時存儲的衛星導航結果數據

4 結束語

本文利用多線程方法，提出開辟工作線程，將以太網通信置于后臺運行，避免了與界面線程的串口通信的沖突，因此實現了以太網通信和串口通信并行通信。該方案有效的利用了網絡通信和串口通信各自的優點，使得上位機既能實現與POS系統的高速數據傳輸，又能實現對POS系統監控。但該方案還存在不足之處，這兩種通信方式只是獨自運行，并未進行數據交流共享，下一步可研究兩種通信方式的數據交換共享，充分利用數據信息，擴展其功能。

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