多線程串口通信技術(shù)在GPS導(dǎo)航中的應(yīng)用

摘 要：GPS導(dǎo)航系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)獲取來(lái)自接收機(jī)串口的定位數(shù)據(jù)，在對(duì)串口實(shí)時(shí)監(jiān)控的同時(shí)還可以在前臺(tái)進(jìn)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(wèn)題。介紹多線程的基本概念和串口通信編程技術(shù)，分析了GPS導(dǎo)航系統(tǒng)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(lái)獲取定位數(shù)據(jù)，并且給出了CSerialPort類的使用方法。經(jīng)過(guò)調(diào)試，程序運(yùn)行平穩(wěn)。
關(guān)鍵詞：多線程；串口通信；CSerialPort；GPS導(dǎo)航

0 引 言
    GPS(Global Position System)具有全球性、全天候性優(yōu)勢(shì)的定位、定時(shí)、測(cè)速系統(tǒng)，用戶利用GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，從而獲取當(dāng)前位置的大地坐標(biāo)、高程和時(shí)間等信息，達(dá)到定位、導(dǎo)航或測(cè)量高程的目的。衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)被廣泛應(yīng)用于海洋勘測(cè)、海洋工程、海洋開(kāi)發(fā)和軍事作戰(zhàn)中，高精度、快捷方便、全天候等優(yōu)良特性，使其越來(lái)越受到人們的青睞。在GPS導(dǎo)航中，需要實(shí)時(shí)采集遵循NMEA0183協(xié)議的GPS數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過(guò)ODBC接口將用戶的位置、時(shí)間、速度等信息存到數(shù)據(jù)庫(kù)，為以后在電子地圖上實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)位置提供依據(jù)。為了避免由于一直等待串口I／0操作而引起的線程阻塞，要求程序在對(duì)串行端口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的同時(shí)，可以在前臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取、保存、顯示等操作。為了解決實(shí)時(shí)性和多任務(wù)處理，避免某項(xiàng)任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間占用CPU，多線程編程是一個(gè)比較理想的選擇。

1 多線程概述
1．1 基本概念
    進(jìn)程是程序在計(jì)算機(jī)上的一個(gè)執(zhí)行實(shí)例，線程是程序中的一條執(zhí)行分支，多線程就是在同一個(gè)程序中可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。每一個(gè)進(jìn)程至少有一個(gè)主執(zhí)行線程，它無(wú)需由用戶去主動(dòng)創(chuàng)建，是由系統(tǒng)自動(dòng)創(chuàng)建的。用戶根據(jù)需要在應(yīng)用程序中創(chuàng)建其他線程，多個(gè)線程并發(fā)地運(yùn)行于同一個(gè)進(jìn)程中。
    一個(gè)進(jìn)程中的所有線程都在該進(jìn)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(tǒng)資源。
1．2 VC
    VC++環(huán)境對(duì)多線程技術(shù)的支持visual c++6．0中，MFC類庫(kù)提供了對(duì)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(qū)別在于工作者線程沒(méi)有消息循環(huán)，而用戶界面線程有自己的消息隊(duì)列和消息循環(huán)。工作者線程通常用來(lái)執(zhí)行后臺(tái)計(jì)算和維護(hù)任務(wù)。用戶界面線程一般用于處理獨(dú)立于其他線程執(zhí)行之外的用戶輸入，響應(yīng)用戶及系統(tǒng)所產(chǎn)生的事件和消息等。
1．3 線程創(chuàng)建、掛起、恢復(fù)、終止
    在MFC中，一般用全局函數(shù)AfxBeginThread()來(lái)創(chuàng)建并初始化一個(gè)線程的運(yùn)行，該函數(shù)有兩種重載形式，分別用于創(chuàng)建工作者線程和用戶界面線程。Sus-pendThread()和ResumeThread()分別用于掛起指定的線程和恢復(fù)用SuspendThread()掛起的線程。Exit-Thread(DWORD dwExitC0de)用于線程終結(jié)自身的執(zhí)行。
1．4 線程同步
    線程之間經(jīng)常要同時(shí)訪問(wèn)一些資源，因此對(duì)共享資源進(jìn)行訪問(wèn)引起沖突是不可避免的。為了解決這種資源沖突問(wèn)題，必須引入線程同步的概念。Win32 API提供了多種同步控制對(duì)象來(lái)解決共享資源訪問(wèn)沖突，包括使用臨界區(qū)、使用互斥對(duì)象、使用信號(hào)量、使用事件。

2 串口通信編程
    目前，在Windows下編程時(shí)，常用的串口通信主要有3種方法：用MSC0mm通信控件；用Windows API進(jìn)行編程；使用第三方提供的一些串口通訊類進(jìn)行編寫。
    (1)MSComm控件
    利用MSComm控件會(huì)使編程快捷簡(jiǎn)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(shí)，需要做許多復(fù)雜的處理。
    (2)Windows API
    利用Windows API編寫串口程序，特別是復(fù)雜的多線程串口程序時(shí)，對(duì)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(shù)，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(jìn)行串口編程時(shí)，既可以使編程效率高，程序可控性強(qiáng)，又比Window API編程簡(jiǎn)單，其中應(yīng)用最多的第三方的串口通信類是CSerial-Port。它基于多線程，是一個(gè)Win32 API的打包類，對(duì)處理串口的Win32 API類進(jìn)行了封裝，借助這個(gè)類可以很方便地對(duì)串口進(jìn)行操作，容易實(shí)現(xiàn)多線程的串口通信，編寫的程序在Windows 98／NT／2000／XP操作系統(tǒng)下可很好地運(yùn)行。
    比較3種串口通信方式，可以發(fā)現(xiàn)使用第三方串口通信類CSerialPort是實(shí)現(xiàn)Windows下多線程串口編程的較好選擇。

3 多線程編程技術(shù)在GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用
3．1 GPS導(dǎo)航系統(tǒng)功能分析
    GPS導(dǎo)航是通過(guò)GPS定位技術(shù)實(shí)時(shí)給出用戶所在的位置，這就要求需要實(shí)時(shí)接收來(lái)自GPS接收機(jī)串口的定位數(shù)據(jù)，在實(shí)時(shí)監(jiān)視串口的同時(shí)還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示等，利用多線程串口通信技術(shù)將很好地解決這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)分析，將程序分成以下幾個(gè)線程：
    主線程：負(fù)責(zé)處理用戶界面的消息處理，按照預(yù)定義流程調(diào)度其他線程處理數(shù)據(jù)。
    串口監(jiān)視線程：監(jiān)視串口，采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)保存到一個(gè)緩沖區(qū)。
    入庫(kù)線程：從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理并將處理好的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。
    顯示線程：通過(guò)地圖匹配算法將用戶實(shí)時(shí)位置顯示在電子地圖上。
    GPS導(dǎo)航系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3．2 具體實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)首先對(duì)線程在相應(yīng)的頭文件中說(shuō)明，然后在程序初始化時(shí)加人創(chuàng)建程序代碼，這樣創(chuàng)建后，線程就可以和主線程并發(fā)執(zhí)行了。主線程、入庫(kù)線程、顯示線程與一般的編程處理相同，所以下面著重說(shuō)明串口監(jiān)視線程。
    對(duì)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(shè)置好串口參數(shù)，再開(kāi)啟串口監(jiān)測(cè)工作線程。串口監(jiān)測(cè)工作線程監(jiān)測(cè)到串口接收到的數(shù)據(jù)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(fā)消息處理函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這是對(duì)接收數(shù)據(jù)而言的；發(fā)送數(shù)據(jù)可直接向串口發(fā)送。應(yīng)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(gè)基于單文檔的MFC應(yīng)用程序CSerial-PortTest，其他步驟保持缺省狀態(tài)。
    (2)添加類文件
    將SerialPort．h和SerialPort．cpp兩個(gè)類文件復(fù)制到工程文件夾中，用Project-Add to Project-Files命令將上述兩個(gè)文件加入工程，并在任何要調(diào)用這個(gè)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(duì)象：CSerialPortm_Port。
    (3)人工增加串口消息響應(yīng)函數(shù)OnCommunica-tion(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(qū)內(nèi)有一個(gè)字符)的響應(yīng)函數(shù)聲明，即：

    在主線程初始化串口后創(chuàng)建CommThread函數(shù)進(jìn)入死循環(huán)，線程一直監(jiān)視串口事件，當(dāng)讀串口事件發(fā)生，讀取串口接收到的數(shù)據(jù)，向主線程發(fā)自定義消息WM_COMM RXCHAR，通知主線程在相應(yīng)的消息響應(yīng)函數(shù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)收到主線程的寫串口命令時(shí)，將緩存中的數(shù)據(jù)寫到串口。
    (5)在OnCommunication()函數(shù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理每當(dāng)串口接收緩沖區(qū)內(nèi)有一個(gè)字符時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)WM COMM RXCHAR消息，觸發(fā)OnCommunica—tion函數(shù)。這時(shí)就可以在函數(shù)中進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理，提取出時(shí)間、經(jīng)緯度、速度等定位的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 結(jié) 語(yǔ)
    串行通訊在通訊領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。利用基于多線程的第三方串VI通信類CSerialPort很好地解決了由于串口長(zhǎng)時(shí)間占用CPU而引起的線程堵塞等問(wèn)題，編程簡(jiǎn)單、方便、可移植性強(qiáng)，對(duì)于其他類型的串口通信問(wèn)題均可采用。該程序由Microsoft Visual C++6．0編譯，在Windows XP下運(yùn)行通過(guò)。