（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518029）  林  濤，耿  壯

林濤（1963－）

    男，碩士，現(xiàn)任深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用系講師，主要研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息安全。

1  引言

    目前，先進(jìn)的嵌入式計(jì)算機(jī)以其優(yōu)良的品質(zhì)、高可靠性及模塊化，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制、航空航天、醫(yī)療、智能儀表、通信、數(shù)控、自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提升系統(tǒng)的整體性能，必須實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和嵌入式計(jì)算機(jī)之間的通信。由于串行通信具有連接簡(jiǎn)單、使用靈活方便、數(shù)據(jù)傳遞可靠等優(yōu)點(diǎn)，可采用串行通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)下載。但是，Windows操作系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)底層操作采取了屏蔽的策略，不允許用戶對(duì)硬件I/O口進(jìn)行直接操作，進(jìn)行串行通信只能通過(guò)調(diào)用API函數(shù)來(lái)完成；同時(shí)Windows 9x通過(guò)消息隊(duì)列驅(qū)動(dòng)管理程序，DOS中斷服務(wù)例程在其下面也很難實(shí)現(xiàn)，且實(shí)時(shí)性和可靠性都得不到保證；筆者考慮可以通過(guò)多線程編程解決這一問(wèn)題，來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝亢蛻?yīng)用程序的可靠性。

    高速串口數(shù)據(jù)采集軟件的設(shè)計(jì)不同于普通串口通信，要求在接收數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)送大量數(shù)據(jù)的同時(shí)完成對(duì)已接受到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，如果處理不好二者之間的關(guān)系，會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失甚至程序的崩潰。這就要求應(yīng)用程序能夠同時(shí)處理兩件以上不同的任務(wù)。Win32是基于線程的搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng)，使得應(yīng)用程序能夠同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，即在一個(gè)進(jìn)程中可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程。一個(gè)線程是指程序的一條執(zhí)行路徑，系統(tǒng)不停的在多個(gè)線程之間切換。由于時(shí)間很短，看上去多個(gè)線程在同時(shí)運(yùn)行。對(duì)于通訊這種需要花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)測(cè)試I/O操作，同時(shí)又要保持響應(yīng)用戶其它操作的應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，創(chuàng)建多線程是最佳選擇。

2  基于ARM的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

    本文以基于ARM的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為背景進(jìn)行論述?，F(xiàn)場(chǎng)的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集各種傳感器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，包括電流、電壓、溫度、壓力、振動(dòng)等。采集系統(tǒng)通過(guò)485總線實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)送到給PC機(jī)，PC機(jī)通過(guò)多線程方式接收嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，送本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)或者通過(guò)Internet發(fā)往數(shù)據(jù)處理中心，如圖1所示。

    文中的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了由PHILIPS公司生產(chǎn)的ARM7TDMI微處理器LPC2214，LPC2214是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMICPU的微控制器，并帶有16K字節(jié)片內(nèi)靜態(tài)RAM和256 KB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過(guò)30%，而性能的損失卻很小。LPC2214較小的144腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC（64腳和144腳封裝）以及多達(dá)9個(gè)外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問(wèn)控制和POS機(jī)。可使用的GPIO（General Purpose Input/Output，通用輸入輸出）高達(dá)76（使用了外部存儲(chǔ)器）～112個(gè)（單片應(yīng)用）。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟Modern以及其它各種類型的應(yīng)用。

圖1 基于ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3  用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和PC機(jī)的通信

    (1)  多線程程序設(shè)計(jì)思想 

    在32位Windows系統(tǒng)中，多任務(wù)是指系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程也可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)線程。進(jìn)程就是應(yīng)用程序的運(yùn)行實(shí)例。每個(gè)進(jìn)程都有自己私有的虛擬地址空間，每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)主線程，但可以建立另外的線程。進(jìn)程中的線程是并行執(zhí)行的，每個(gè)線程占用CPU的時(shí)間由系統(tǒng)來(lái)劃分。

    可以把線程看作是操作系統(tǒng)分配CPU時(shí)間的基本實(shí)體，系統(tǒng)不停的在各個(gè)線程之間切換，它對(duì)線程的中斷是匯編語(yǔ)言級(jí)的。系統(tǒng)為每一個(gè)線程分配一個(gè)CPU時(shí)間段，某個(gè)線程只有在分配的時(shí)間段內(nèi)才有對(duì)CPU的控制權(quán)。

    高速串口數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)是接收數(shù)據(jù)的速度要求很高，數(shù)據(jù)量很大，根據(jù)這些特性，可以在程序中創(chuàng)建一個(gè)輔助工作者線程專門來(lái)監(jiān)視串行口的輸入。由于寫串口的數(shù)據(jù)量不大，不會(huì)太費(fèi)時(shí)，所以可以在主線程中完成寫端口的任務(wù)，不必另外創(chuàng)建線程。

    (2)  用API函數(shù)實(shí)現(xiàn)串行通信的基本流程

    首先CreatFile()函數(shù)打開(kāi)通信資源，之后配置通信資源屬性由以下API函數(shù)完成：SetupComm()設(shè)置串行通信端口的輸入和輸出緩沖區(qū)的大?。煌ㄟ^(guò)設(shè)備控制塊DCB修改和設(shè)置串口工作狀態(tài)的參數(shù)，如波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位等通信參數(shù)，SetCommState()將DCB結(jié)構(gòu)中的內(nèi)容寫入串口設(shè)置；SetCommTimeouts()設(shè)置串口讀寫操作的溢出時(shí)間。設(shè)置工作完成后串行通信可用ReadFile()對(duì)通信資源進(jìn)行讀操作，WriteFile()進(jìn)行寫操作。

    串行通信結(jié)束時(shí)調(diào)用函數(shù)CloseHandle()來(lái)關(guān)閉CreateFile()函數(shù)返回的串口句柄。

    (3)  數(shù)據(jù)采集線程

    多線程的串口I/O通信編程中，將對(duì)串口的讀、寫操作視為同一進(jìn)程的兩個(gè)不同任務(wù)，創(chuàng)建讀線程和寫線程分別完成對(duì)串口的讀、寫操作；由于異步串行通信事件的隨機(jī)性和實(shí)時(shí)性，要求通信線程優(yōu)先于主線程被處理，所以設(shè)置各線程的優(yōu)先級(jí)別如下：

    讀線程的優(yōu)先級(jí)>寫線程的優(yōu)先級(jí)>主線程的優(yōu)先級(jí)。

    主線程是數(shù)據(jù)采集程序的管理者，用來(lái)初始化串口（通過(guò)調(diào)用Win32 API函數(shù)），自定義通信事件消息，創(chuàng)建、刪除輔助線程，進(jìn)行人機(jī)交互的操作及協(xié)調(diào)好各線程的運(yùn)行。程序流程如圖2所示。

圖2  數(shù)據(jù)采集程序框圖

    左邊為主線程，右邊為子線程。用戶通過(guò)VC設(shè)計(jì)的界面上的控件打開(kāi)串口，并且發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)對(duì)串口的參數(shù)設(shè)置完畢，串口成功打開(kāi)的同時(shí)，子線程即接收線程開(kāi)始運(yùn)行。用戶發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，接收線程的控制函數(shù)也同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)控制函數(shù)接收到讀串口事件時(shí)，調(diào)用讀串口函數(shù)，讀取串口接收到的數(shù)據(jù)。子線程一直運(yùn)行，也不斷的讀取接收到的數(shù)據(jù)，并顯示在用戶的界面上。當(dāng)用戶關(guān)閉串口，主線程要終止，此時(shí)子線程也收到主線程發(fā)送的關(guān)閉串口事件，終止線程，關(guān)閉串口。

    (4)  后臺(tái)輔助線程   

    后臺(tái)輔助線程是數(shù)據(jù)采集軟件的核心，包括串口監(jiān)視線程、讀線程。串口監(jiān)視線程在后臺(tái)對(duì)串口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，當(dāng)監(jiān)視到預(yù)定義的事件時(shí)，立即調(diào)用相應(yīng)的線程進(jìn)行處理并向主線程發(fā)相應(yīng)的消息，如接收到數(shù)據(jù)就調(diào)用讀線程自動(dòng)接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，同時(shí)向主線程發(fā)送。

圖3  串口監(jiān)視線程的實(shí)現(xiàn)

    接收到數(shù)據(jù)的消息，串口監(jiān)視線程發(fā)送完此消息后就執(zhí)行后面的程序代碼，繼續(xù)對(duì)串口進(jìn)行監(jiān)視，做到了處理消息與監(jiān)視串口兩不誤，既保證了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，又避免了資源的浪費(fèi)，其處理過(guò)程如圖3所示。

4  結(jié)語(yǔ)

    本文分析了多線程技術(shù)在嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用，利用多線程，可以實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)的高速通信。通過(guò)兩個(gè)通信線程并發(fā)執(zhí)行，加以同步管理，應(yīng)用程序能夠在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)接收數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)響應(yīng)性強(qiáng)，高效可靠，有效地避免了數(shù)據(jù)丟失、程序鎖死等問(wèn)題。在數(shù)據(jù)采集的實(shí)際應(yīng)用中結(jié)果令人滿意。

    其他作者：耿壯（1954－），現(xiàn)任深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用系副教授，主要研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理、多媒體技術(shù)。

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