多線程串口通信技術在ＧＰＳ導航中的應用

馮　正　韓　焱　王黎明

摘 要：GPS導航系統需要實時獲取來自接收機串口的定位數據，在對串口實時監控的同時還可以在前臺進行一些其他的操作，利用基于多線程的串口通信編程思想方法可以很好地解決這一問題。介紹多線程的基本概念和串口通信編程技術，分析了GPS導航系統的功能和需求，著重闡述了采用基于多線程的CSerialPort類的串口通信方法來獲取定位數據，并且給出了CSerialPort類的使用方法。經過調試，程序運行平穩。

關鍵詞：多線程;串口通信;CSerialPort;GPS導航

中圖分類號：TP399文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)05-028-03

Application of Multi-thread Serial Port Communication Technology in GPS Navigation System

FENG Zheng1,HAN Yan2,WANG Liming2

(1.National Key Laboratory of Electronic Testing Technology,North University of China,Taiyuan,030051,China；

2.Information Detection and Treatment Institute of Technology,North University of China,Taiyuan,030051,China)

Abstract：The GPS navigation system needs not only gaining real-time orientation data from the receiver serial port but also operating other somethings,the way that based on the multi-thread and the serial communication programming technology theory can solve this question.The multi-thread basic concept and the serial port communication programming technology are introduced,and the GPS navigation system′s function and the requirement are analysed,real-time orientation data by using CSerialPort class based on the multi-thread,and the application method of CSerialPort class are given.After the debugging,the program runs steady.

Keywords：multi-thread;serial port communication;CSerialPort;GPS navigation

0 引 言

GPS(Global Position System)具有全球性、全天候性優勢的定位、定時、測速系統,用戶利用GPS接收機接收衛星發射的信號，從而獲取當前位置的大地坐標、高程和時間等信息，達到定位、導航或測量高程的目的。衛星導航定位技術被廣泛應用于海洋勘測、海洋工程、海洋開發和軍事作戰中，高精度、快捷方便、全天候等優良特性，使其越來越受到人們的青睞［1］。在GPS導航中，需要實時采集遵循NMEA0183協議的GPS數據，對數據進行處理后，通過ODBC接口將用戶的位置、時間、速度等信息存到數據庫，為以后在電子地圖上實時顯示目標位置提供依據。為了避免由于一直等待串口I/O操作而引起的線程阻塞，要求程序在對串行端口進行實時監控的同時，可以在前臺進行數據提取、保存、顯示等操作。為了解決實時性和多任務處理，避免某項任務長時間占用CPU，多線程編程是一個比較理想的選擇。

1 多線程概述

1.1 基本概念

進程是程序在計算機上的一個執行實例，線程是程序中的一條執行分支，多線程就是在同一個程序中可以同時執行多個任務。每一個進程至少有一個主執行線程，它無需由用戶去主動創建，是由系統自動創建的。用戶根據需要在應用程序中創建其他線程，多個線程并發地運行于同一個進程中。

一個進程中的所有線程都在該進程的虛擬地址空間中，共同使用這些虛擬地址空間、全局變量和系統資源［2］。

1.2 VC++環境對多線程技術的支持

Visual C++ 6.0中，MFC類庫提供了對多線程編程的支持，使得多線程編程更加方便。MFC中有兩類線程，分別稱之為工作者線程和用戶界面線程。二者的主要區別在于工作者線程沒有消息循環，而用戶界面線程有自己的消息隊列和消息循環。工作者線程通常用來執行后臺計算和維護任務。用戶界面線程一般用于處理獨立于其他線程執行之外的用戶輸入，響應用戶及系統所產生的事件和消息等。

1.3 線程創建、掛起、恢復、終止

在MFC中，一般用全局函數AfxBeginThread()來創建并初始化一個線程的運行，該函數有兩種重載形式，分別用于創建工作者線程和用戶界面線程。SuspendThread() 和ResumeThread()分別用于掛起指定的線程和恢復用SuspendThread()掛起的線程。ExitThread(DWORD dwExitCode)用于線程終結自身的執行。

1.4 線程同步

線程之間經常要同時訪問一些資源，因此對共享資源進行訪問引起沖突是不可避免的。為了解決這種資源沖突問題，必須引入線程同步的概念。Win32 API提供了多種同步控制對象來解決共享資源訪問沖突，包括使用臨界區、使用互斥對象、使用信號量、使用事件［3］。

2 串口通信編程

目前,在Windows下編程時,常用的串口通信主要有3種方法：用MSComm通信控件;用Windows API進行編程;使用第三方提供的一些串口通訊類進行編寫［4］。

(1) MSComm控件

利用MSComm控件會使編程快捷簡單。然而，由于做了大量的封裝，降低了編程的可控性和靈活性，因此在多線程多串口編程時，需要做許多復雜的處理。

(2) Windows API

利用Windows API編寫串口程序，特別是復雜的多線程串口程序時，對于程序員的編程能力要求較高。除了需要程序員熟練掌握和使用眾多的API函數，能編寫很多底層代碼之外，還必須熟悉線程的編程方法。

(3) 第三方串口通信類

利用第三方的串口通信類進行串口編程時，既可以使編程效率高，程序可控性強，又比Window API編程簡單，其中應用最多的第三方的串口通信類是CSerialPort。它基于多線程，是一個Win32 API的打包類，對處理串口的Win32 API類進行了封裝，借助這個類可以很方便地對串口進行操作，容易實現多線程的串口通信，編寫的程序在Windows 98/NT/2000/XP操作系統下可很好地運行。

比較3種串口通信方式，可以發現使用第三方串口通信類CSerialPort是實現Windows下多線程串口編程的較好選擇。

3 多線程編程技術在GPS數據采集系統中的應用

3.1 GPS導航系統功能分析

GPS導航是通過GPS定位技術實時給出用戶所在的位置，這就要求需要實時接收來自GPS接收機串口的定位數據，在實時監視串口的同時還需要進行數據存儲、顯示等，利用多線程串口通信技術將很好地解決這個問題。通過對GPS導航系統分析，將程序分成以下幾個線程：

主線程：負責處理用戶界面的消息處理，按照預定義流程調度其他線程處理數據。

串口監視線程：監視串口，采集數據并將數據保存到一個緩沖區 。

入庫線程：從緩沖區讀取數據進行相應處理并將處理好的數據存入數據庫。

顯示線程：通過地圖匹配算法將用戶實時位置顯示在電子地圖上。

GPS導航系統框圖如圖1所示。

3.2 具體實現

系統首先對線程在相應的頭文件中說明，然后在程序初始化時加入創建程序代碼，這樣創建后，線程就可以和主線程并發執行了。主線程、入庫線程、顯示線程與一般的編程處理相同，所以下面著重說明串口監視線程。

對串口的操作采用基于多線程編程的CSerialPort類，其工作流程如下：首先設置好串口參數，再開啟串口監測工作線程。串口監測工作線程監測到串口接收到的數據流、控制事件或其他串口事件后，就以消息方式通知主程序，激發消息處理函數進行數據處理，這是對接收數據而言的；發送數據可直接向串口發送［5］。應用程序流程如圖2所示。

編程步驟如下：

(1) 建立程序

建立一個基于單文檔的MFC應用程序CSerialPortTest,其他步驟保持缺省狀態。

(2) 添加類文件

將SerialPort.h和SerialPort.cpp兩個類文件復制到工程文件夾中，用Project-Add to Project-Files命令將上述兩個文件加入工程，并在任何要調用這個類的模塊中加上#include SerialPort.h文件。

在視類頭文件中定義串口類的對象：CSerialPort m_Port。

(3) 人工增加串口消息響應函數OnCommunication(WPARAM ch,LPARAM port)

首先在CSerialPortTestView.h中添加串口字符接收消息WM_COMM_RXCHAR(串口接收緩沖區內有一個字符)的響應函數聲明，即：

afx_msg LONG OnCommunication(WPARAM ch,LPARAM port)；

然后在CSerialPortTestView.cpp文件中進行WM_COMM_RXCHAR消息映射：

ON_MESSAGE(WM_COMM_RXCHAR,OnCommunication)

接著在CSerialPortTestView.cpp中加入函數的實現，即：

LONG CSerialPortTestView::OnCommunication(WPARAM ch,LPARAM port)

{ … }

(4) 初始化串口并開啟串口監視線程

在視創建時初始化串口，首先利用ClassWizard生成OnInitialUpdate()函數。代碼如下：

Void CSerialPortTestView::OnInitialUpdate()

{

CView::OnInitialUpdate()；

if(m_Port.InitPort(this,1,4 800,′N′,8,1,EV_RXFLAG | EV_RXCHAR,512))

//設置端口為COM1，波特率4 800 b/s，數據位8，停止位1，檢驗位N，緩沖區512

{

m_Port.StartMonitoring()；

//啟動串口監視線程，利用WaitCommEvent函數對串口上發生的事件進行獲取并根據事件的不同

類型進行相應的處理，利用WaitForMultipleObjects函數對串口相關的用戶控制事件進行等待并做相應處理

}

else

{

AfxMessageBox(“沒有發現此串口”)；

}

}

在StartMonitoring()這個成員函數內部調用AfxBeginThread創建了一個工作線程，它的函數申明如下：

BOOL CSerialPort::StartMonitoring()

{

if(!(m_Thread=AfxBeginThread(CommThread,this)))

return FALSE；

TRACE("Thread started\n")；

return TRUE；

}

在主線程初始化串口后創建CommThread函數進入死循環，線程一直監視串口事件，當讀串口事件發生,讀取串口接收到的數據，向主線程發自定義消息WM_COMM_RXCHAR，通知主線程在相應的消息響應函數中進行數據處理，當收到主線程的寫串口命令時，將緩存中的數據寫到串口。

(5) 在OnCommunication()函數中進行數據處理

每當串口接收緩沖區內有一個字符時，就產生一個WM_COMM_RXCHAR消息，觸發OnCommunication函數。這時就可以在函數中進行相應數據處理，提取出時間、經緯度、速度等定位的關鍵數據，然后將這些數據保存到數據庫。

LONG CMainFrame：：OnCommunication(WPARAM ch,LPARAM port){

m_strReceived+=(char)ch；

while((m_strReceived.Find(0x0d)!=-1)&&(m_strReceived.Find(0x0a)!=-1)){

int startLF=m_strReceived.Find(0x0a)；

//此行表示找到換行的位置并返回值

int endCR=m_strReceived.Find(0x0d)；

if(startLF>endCR)

endCR=m_strReceived.Find(0x0d,startLF)；

//從startLF位置開始找回車符

…………

}

4 結 語

串行通訊在通訊領域被廣泛應用。利用基于多線程的第三方串口通信類CSerialPort很好地解決了由于串口長時間占用CPU而引起的線程堵塞等問題，編程簡單、方便、可移植性強，對于其他類型的串口通信問題均可采用。該程序由Microsoft Visual C++ 6.0編譯，在Windows XP下運行通過。

參考文獻

［1］吳自銀.一種基于電子地圖的GPS導航定位技術 ［J］.海洋通報，2001，20(6)：65-71.

［2］吳先亮，劉春生.基于多線程的串口通信軟件的設計與實現［J］.控制工程，2004，11(2)：171-174.

［3］趙素林.利用多線程實現串口數據的實時圖形化顯示 ［J］.計算機技術與發展，2006，16 (6)：124-126.

［4］蔣大奎.串口通信實現實時數據高速采集［J］.北華航天工業學院學報，2007，17(4)：15-16.

［5］龔建偉,熊光明.Visual C++/Turbo C串口通信編程實踐［M］.北京:電子工業出版社，2004.

［6］黃凌.基于單片機的GPS信息處理系統.現代電子技術,2007,30(21):60-61,75.

作者簡介 馮 正 男，1980年出生，山西忻州人，碩士。主要研究方向為遙控遙測技術。

韓 焱 男，1957年出生，山西汶水人，教授、博士生導師。主要研究領域為信號與信息處理、無線通信。

王黎明 男，1974年出生，山西運城人，教授、碩士研究生導師。主要研究方向為兵器無損檢測技術。