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作者: 李湘江
在工业控制中，串口是常用的计算机与外部串行设备之间的数据传输通道，由于串行通信方便易行，所以应用广泛。
本文将介绍在Windows平台下串行通信的工作机制和用Visual C++设计串行通信程序的编程方法及通信方式。
VC中实现串行通信的编程技术
以下我们将介绍VC中几种实现串行通信的编程技术：
利用VC++的标准通信函数
利用VC++的标准通信函数_inp和_outp可实现串口通信。下面是一个串口初始化的程序：
void init_com(PORT)
{char i;
outp(PORT+3,0x80);
outp(PORT,0x0C);
outp(PORT+1,0);
outp(PORT+3 ,0x3a);
outp(PORT+3 ,0x03);
i=inp(PORT+5) && 0xfe;
outp(PORT+5,i);}
使用串行通信控件MSComm
串行通信控件MSCOmm32.OCX提供了使用RS-232来进行数据通信的所有协议，VC为该控件提供了标准的事件处理函数、过程，并通过属性和方法提供了串行通信的设置。它使用户能够方便地访问Windows串行通信驱动程序的大多数特性，包括输入、输出缓冲区的大小及决定何时使用流控制命令挂起数据传输等。
在ClassWizard中为新创建的通信控件定义成员对象(CMSComm m_Serial)，通过该对象便可以对串口属性进行设置，MSComm控件共有27个属性。以下是通过设置控件属性对串口进行初始化的实例：
BOOL CSampleDlg:: PortOpen()
{ BOOL m_Opened;
......
m_Serial.SetCommPort(2); // 指定串口号
m_Serial.SetSettings("4800,N,8,1");
// 通信参数设置
m_Serial.SetInBufferSize(1024);
// 指定接收缓冲区大小
m_Serial.SetInBufferCount(0);
// 清空接收缓冲区
m_Serial.InputMode(1);
// 设置数据获取方式
m_Serial.SetInputLen(0);
// 设置读取方式
m_Opened=m_Serail.SetPortOpen(1);
// 打开指定的串口
return m_Opened;}
打开所需串口后，我们需要考虑串口通信的时机。在接收或发送数据过程中，可能需要监视并响应一些事件和错误，所以事件驱动是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法。使用OnComm事件和CommEvent属性捕捉并检查通信事件和错误的值。发生通信事件或错误时将触发OnComm事件，CommEvent属性的值将被改变，应用程序通过检查CommEvent属性值并作出相应的反应。
使用API函数
控件虽然简单易用，但由于必须拿到对话框中使用，在一些需要在线程中实现通信的应用场合下，控件的使用显得捉襟见肘。API是附带在Windows内部的一个极其重要的组成部分。Windows的32位API主要是一系列很复杂的函数和消息集合。它可以看作是Windows系统为在其下运行的各种开发系统提供的开放式通用功能增强接口。
通信程序在CreateFile处指定串口设备及相关的操作属性，再返回一个句柄，该句柄将被用于后续的通信操作，并贯穿整个通信过程。串口打开后，其属性被设置为默认值，根据具体需要，通过调用GetCommState(hComm,&&dcb)读取当前串口设备控制块DCB设置，修改后通过SetCommState(hComm,&&dcb)将其写入。运用ReadFile()与WriteFile()这两个API函数实现串口读写操作，若为异步通信方式，两函数中最后一个参数为指向OVERLAPPED结构的非空指针，在读写函数返回值为FALSE的情况下，调用GetLastError()函数，返回值为ERROR_IO_PENDING，表明I/O操作悬挂，即操作转入后台继续执行。此时，可以用WaitForSingleObject()来等待结束信号并设置最长等待时间，举例如下：
BOOL bReadStatus;
bReadStatus = ReadFile( m_hIDComDev, buffer,
dwBytesRead, &&dwBytesRead, &&m_OverlappedRead );
if(!bReadStatus){
if(GetLastError()==ERROR_IO_PENDING){
WaitForSingleObject(m_OverlappedRead.hEvent,1000);
return ((int)dwBytesRead);}
return(0);}
return ((int)dwBytesRead);
多线程下实现串行通信
Windows内部的抢先调度程序在活动的线程之间分配CPU时间，Windows区分两种不同类型的线程，一种是用户界面线程(User Interface Thread),它包含消息循环或消息泵，用于处理接收到的消息；另一种是工作线程(Work Thread)，它没有消息循环，用于执行后台任务、监视串口事件的线程即为工作线程。
多线程程序的编写在端口的配置，连接部分与单线程的相同，在端口配置完毕后，最重要的是根据实际情况，建立多线程之间的同步对象，如信号灯、临界区和事件等。
一切就绪后即可启动工作线程，程序如下：
CWinThrea CommThread = AfxBegin
Thread(CommWatchThread, // 线程函数名
(LPVOID) m_pTTYInfo, // 传递的参数
THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL,
// 设置线程优先级
(UINT) 0, // 最大堆栈大小
(DWORD) CREATE_SUSPENDED , // 创建标志
(LPSECURITY_ATTRIBUTES) NULL);
if(WaitCommEvent(pTTYInfo-＞idComDev,&&dwEvtMask,NULL))
{
if((dwEvtMask && pTTYInfo-＞dwEvtMask )== pTTYInfo-＞dwEvtMask)
{
WaitForSingleObject(pTTYInfo-＞hPostEvent,0xFFFFFFFF);
ResetEvent(pTTYInfo-＞hPostEvent);
// 置同步事件对象为非信号态
::PostMessage(CSampleView,ID_COM1_DATA,0,0); // 发送通知消息}}
BEGIN_MESSAGE_MAP(CSampleView, CView)
//{{AFX_MSG_MAP(CSampleView)
ON_MESSAGE(ID_COM1_DATA, OnProcessCom1Data)
ON_MESSAGE(ID_COM2_DATA, OnProcessCom2Data)
．．．．．
//}}AFX_MSG_MAP
END_MESSAGE_MAP()
多线程的实现可以使得各端口独立，准确地实现串行通信，使串行通信具有更广泛的灵活性与严格性，且充分利用CPU时间。但在具体的实时监控系统中如何协调多个线程、线程之间以何种方式实现同步，这是多线程串行通信程序实现的难点。
串行通信的操作方式
下面我们将介绍串行通信的几种操作方式：
1.同步方式
同步方式中，读串口的函数试图在串口的接收缓冲区中读取规定数目的数据，直到规定数目的数据全部被读出或设定的超时时间已到时才返回。例如:
COMMTIMEOUTS timeOver;
memset(&&timeOver,0,sizeof(timeOver));
DWORD timeMultiplier,timeConstant;
timeOver.ReadTotalTimeoutMultiplier=timeMultiplier;
timeOver.ReadTotalTimeoutConstant=timeConstant;
SetCommTimeouts(hComport,&&timeOver);
……
ReadFile(hComport,inBuffer,nWantRead,&&nRealRead,NULL);
COMMTIMEOUTS结构用于设置读写函数的等待时间。
在ReadFile函数中hComport为待读串口句柄；inBuffer为输入缓冲区大小；nWantRead为每次调用ReadFile时，函数试图读出的字节数；nRealRead为实际读出的字节数；最后一个参数值NULL代表ReadFile将采用同步文件读写的方式。
如果所规定的待读取数据的数目nWantRead较大且设定的超时时间也较长，而接收缓冲区中数据较少，则可能引起线程阻塞。解决这一问题的方法是检查COMSTAT结构的cbInQue成员，该成员的大小即为接收缓冲区中处于等待状态的数据的实际个数。如果令nWantRead的值等于COMSTAT.cbInQue，就能较好地防止线程阻塞。
2.查询方式
查询方式，即一个进程中的某一线程定时地查询串口的接收缓冲区，如果缓冲区中有数据，就读取数据；若缓冲区中没有数据，该线程将继续执行，因此会占用大量的CPU时间，它实际上是同步方式的一种派生。例如:
COMMTIMEOUTS timeOver;
memset(&&timeOver,0,sizeof(timeOver));
timeOver.ReadIntervalTimeout=MAXWORD;
SetCommTimeouts(hComport.&&timeOver);
……
ReadFile(hComport.inBuffer.nWantRead.&&nRealRead,NULL);
除了COMMTIMEOUTS结构的变量timeOver设置不同外，查询方式与同步方式在程序代码方面很类似，但二者的工作方式却差别很大。尽管ReadFile采用的也是同步文件读写方式，但由于timeOver的区间超过时间设置为MAXWORD，所以ReadFile每次将读出接收队列中的所有处于等待状态的数据，一次最多可读出nWantRead个字节的数据。
3.异步方式
异步方式中，利用Windows的多线程结构，可以让串口的读写操作在后台进行，而应用程序的其他部分在前台执行。例如:
OVERLAPPED wrOverlapped;
COMMTIMEOUTS timeOver;
memset(&&timeOver.0.sizeof(timeOver));
DWORDtimeMultiplier,timeConstant;
timeOver.ReadTotalTimeoutMultiplier=timeMultiplier;
timeOver.ReadTotalTimeoutConstant=timeConstant;
SetCommTimeouts(hComport,&&timeOver);
wrOverlapped.hEvent=CreateEvent(NULL.TRUE,FALSE,NULL);
……
ReadFile(hComport,inBuffer,nWantRead,&&nRealRead,&&wrOverlapped);
GetOverlappedResult(hComport,&&wrOverlapped,&& nRealRead,TRUE);
……
ResetEvent(wrOverlapped.hEvent);
上面代码中的ReadFile由于采用了异步方式，所以它只返回数据是否已开始读入的状态，并不返回实际的读入数据，即ReadFile中的nRealRead无效。实际读入的数据是由GetOverlappedResult函数返回的，该函数的最后一个参数值为TRUE，表示它等待异步操作结束后才返回到应用程序，此时，GetOverlappedResult函数与WaitForSingleObject函数等效。
当采用异步方式时，在用CreateFile打开串口设备时，CreateFile函数的参数fdwAttrsAndFlags必须设为FILE_FLAG_ OVERLAPPED。在Windows中，只有在串行设备上才支持异步文件读写，并且，GetOverlappedResult函数也只支持串行设备或用DeviceloControl函数打开的文件。
4.事件驱动方式
若对端口数据的响应时间要求较严格，可采用事件驱动方式。事件驱动方式通过设置事件通知，当所希望的事件发生时，Windows发出该事件已发生的通知，这与DOS环境下的中断方式很相似。Windows定义了9种串口通信事件，较常用的有以下三种：
EV_RXCHAR:接收到一个字节，并放入输入缓冲区；
EV_TXEMPTY:输出缓冲区中的最后一个字符，发送出去；
EV_RXFLAG:接收到事件字符(DCB结构中EvtChar成员)，放入输入缓冲区。
在用SetCommMask()指定了有用的事件后，应用程序可调用WaitCommEvent()来等待事件的发生。SetCommMask(hComm,0)可使WaitCommEvent()中止。例如:
COMSTAT comStat;
DWORD dwEvent;
SetCommMask(hComport,EV_RXCHAR);
……
if(WaitCommEvent(hComport,&&dwEvent,NULL))
if((dwEvent&&EV_RXCHAR)&&&&comstat.cbInQue)
ReadFile(hComport,inBuffer,comstat.cbInQue,&&nRealRead,NULL);
程序中，我们首先用SetCommMask函数设置事件代码，上面的代码中为EV_RXCHAR，表示接收到一个字符时触发这一事件，然后调用WaitCommEvent函数等待该事件的发生。注意，WaitCommEvent函数第3个参数1pOverlapped可以是一个OVERLAPPED结构的变量指针，也可以是NULL，当用NULL时，表示该函数是同步的，否则表示该函数是异步的。
5.几种方式的比较
在一般要求情况下，查询方式是一种最直接的读串口方式。但定时查询存在一个致命弱点，即查询是定时发生的，可能发生得过早或过晚。在数据变化较快的情况下，特别是主控计算机的串口通过扩展板扩展至多个时，需定时地对所有串口轮流查询，此时容易发生数据的丢失。虽然定时间隔越小，数据的实时性越高，但系统的资源也被占去越多。
Windows中提出文件读写的异步方式，主要是针对文件I/O相对较慢的速度而进行的改进，它利用了Windows的多线程结构。虽然在Windows中没有实现任何对文件I/O的异步操作，但它却能对串口进行异步操作。采用异步方式，可以提高系统的整体性能，在对系统强壮性要求较高的场合，建议采用这种方式。
事件驱动方式是一种高效的串口读方式。这种方式的实时性较高，特别是对于扩展了多个串口的情况，并不要求像查询方式那样定时地对所有串口轮流查询，而是像中断方式那样，只有当设定的事件发生时，应用程序得到Windows操作系统发出的消息后，才进行相应处理，避免了数据丢失。在实时性要求较高的场合，笔者建议采用这种方式。
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