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(tǒng)技術國防重點學科實驗室，北京100191）

0 引 言

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

本文基于Windows Socket的網絡數(shù)據傳輸和MSComm串口通信原理，設計基于TCP/IP 協(xié)議的流式套接字的網絡數(shù)據傳輸和MSComm 串口監(jiān)控多線程通信系統(tǒng)，實現(xiàn)對POS系統(tǒng)的數(shù)據傳輸及系統(tǒng)的監(jiān)控，消除了單一監(jiān)控接口的弊端，充分利用了不同通信方式的優(yōu)勢，實現(xiàn)優(yōu)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(tǒng)

POS的基本工作原理如圖1所示，系統(tǒng)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(tǒng)供電單元、GNSS接收單元、數(shù)據處理單元、數(shù)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(xù)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(tài)等參數(shù)，但由于積分運算會導致誤差的積累而引發(fā)導航結果的發(fā)散；GNSS單元通過獲取衛(wèi)星信號實時解算得到高精度的位置信息，但其數(shù)據更新率低；因此將兩者組合起來，綜合二者的優(yōu)點，實現(xiàn)優(yōu)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(tài)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(fā)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(yè)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(yè)現(xiàn)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(jié)點之間的數(shù)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(shù)據量短距離或者長距離小數(shù)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(xié)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(shù)據傳輸，如與監(jiān)控上位機間的數(shù)據傳輸；CAN 總線通信主要用于與載荷間的高速數(shù)據傳輸；以太網通信主要用于高速數(shù)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(shù)據傳輸和實時監(jiān)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(huán)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(huán)，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(xié)議的以太網通信［4－7］，在軟件后臺運行，實現(xiàn)與POS系統(tǒng)高速數(shù)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(xiàn)與用戶的交互，實現(xiàn)對POS系統(tǒng)狀態(tài)的實時監(jiān)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(xiàn)了以太網和串口并行通信?？傮w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(xiàn)對POS系統(tǒng)的實時監(jiān)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(shù)據位，1位停止位；以二進制方式接收數(shù)據；當緩沖器有數(shù)據就觸發(fā)OnComm 事件；每次都將緩沖區(qū)的數(shù)據全部接收。

（2）編寫OnComm 事件處理函數(shù)

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

（3）利用SetPortOpen函數(shù)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(shù)通過串口向POS系統(tǒng)的下位機發(fā)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(shù)據報套接字 （SOCK ＿DGRAM）。因為POS系統(tǒng)的復雜性，和考慮系統(tǒng)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(xié)議，上位機監(jiān)控軟件作為客戶端，POS系統(tǒng)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(shù)據庫，創(chuàng)建流式套接字，將套接字設為非阻塞模式。

（2）利用WSAAsyncSelect函數(shù)建立套接字的事件通知

（3）添加網絡事件處理函數(shù)OnSockt。

（4）利用connect函數(shù)創(chuàng)建與POS系統(tǒng)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(chuàng)建Windows Socket工作線程的入口函數(shù)

DWORD WINAPI ThreadFun（LPVOID pThread）

創(chuàng)建工作線程時，首先要先建立線程的入口函數(shù)，當工作線程被啟動后會轉入該函數(shù)，并且函數(shù)退出時工作線程就會結束。ThreadFun是入口函數(shù)名，也就是工作線程開始執(zhí)行時代碼所在的函數(shù)地址，pThread是工作線程傳遞的入口函數(shù)的參數(shù)。如2.1節(jié)所述WSAAsyncSelect函數(shù)實現(xiàn)套接字自主監(jiān)控網絡事件的功能，一旦啟動該函數(shù)，將啟動一個網絡事件監(jiān)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(shù)，則會與串口消息的OnComm 事件處理函數(shù)發(fā)生沖突，因此將在工作線程的入口函數(shù)調用WSAAsyncSelect函數(shù)，為其開辟另一個工作線程，實現(xiàn)網絡通信和串口通信的并行執(zhí)行。

（2）利用CreatThread函數(shù)創(chuàng)建Windows Socket工作線程

參數(shù)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(shù)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(shù)lpStartAddress是指向線程的入口函數(shù)，即2.3 節(jié) （1）中所建立的函數(shù)；參數(shù)lpParameter是線程傳遞給線程入口函數(shù)的參數(shù)；參數(shù)dwCreationFlags設為0，使得線程產生后立即執(zhí)行；參數(shù)lpThreadId用來存放返回線程ID。

（3）利用Terminate Thread函數(shù)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(shù)的配置，實現(xiàn)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(tǒng)的連接，可以實現(xiàn)數(shù)據傳輸和系統(tǒng)監(jiān)控。

3.1.2 串口監(jiān)控主界面設計

監(jiān)控界面由三大部分組成，一是系統(tǒng)的通信狀態(tài)顯示；二是系統(tǒng)的工作狀態(tài)顯示；三是系統(tǒng)的工作參數(shù)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(tǒng)，測試系統(tǒng)如圖7所示。

圖5 通信接口配置界面

圖6 串口監(jiān)控主界面

圖7 測試系統(tǒng)結構

測試結果：POS系統(tǒng)靜態(tài)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(jiān)控POS系統(tǒng)的工作狀態(tài)，同時能通過網口實時存儲GPS接收機的實時衛(wèi)星導航結果數(shù)據。圖8和圖9是測試結果。

圖8 上位機實時串口監(jiān)控結果

圖9 網口實時存儲的衛(wèi)星導航結果數(shù)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(xiàn)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(yōu)點，使得上位機既能實現(xiàn)與POS系統(tǒng)的高速數(shù)據傳輸，又能實現(xiàn)對POS系統(tǒng)監(jiān)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(shù)據交流共享，下一步可研究兩種通信方式的數(shù)據交換共享，充分利用數(shù)據信息，擴展其功能。

［1］HAN Rui.Motion compensation system for SAR based on GPS/IMU intetgrated navigation ［J］.Journal of Chinese Inertial Technology，2013，21 （3）：308－311 （in Chinese）. ［韓銳.一種基于GPS/IMU 組合導航的機載SAR 運動補償方案［J］.中國慣性技術學報，2013，21 （3）：308－311.］

［2］YANG Sheng，F(xiàn)ANG Jiancheng.Design and realization of POS data acquisition and processing system based on double DSP ［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2008，29（9）：1822－1826 （in Chinese）. ［楊勝，房建成.基于雙DSP的POS數(shù)據采集與處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) ［J］.儀器儀表學報，2008，29 （9）：1822－1826.］

［3］FANG Jiancheng，ZHANG Zhou，GONG Xiaolin.Modeling and simulation of transfer alignment for distributed POS ［J］.Journal of Chinese Inertial Technology，2012，20 （4）：379－385 （in Chinese）.［房建成，張舟，宮曉琳.機載分布式POS傳遞對準建模與仿真 ［J］.中國慣性技術學報，2012，20（4）：379－385.］

［4］ZHOU Kun，F(xiàn)U Desheng.Data transmission and security on net based on Windows socket［J］.Computer Engineering and Design，2007，28 （22）：5381－5383 （in Chinese）. ［周坤，傅德勝.基于Windows Socket的網絡數(shù)據傳輸及其安全 ［J］.計算機工程與設計，2007，28 （22）：5381－5383.］

［5］GONG Chao，GONG Liang.TCP/IP－based OPC communication between heterogeneous platforms ［J］.Computer Engineering，2008，44 （21）：62－64 （in Chinese）.［鞏超，宮亮.基于TCP/IP的異構平臺OPC通信 ［J］.計算機工程，2008，44 （21）：62－64.］

［6］XIAO Meihua，YU Liquan.Model extraction and reliability verification on SOCKET communition program ［J］.Computer Science，2012，39 （11）：102－106 （in Chinese）. ［肖美華，余立全.SOCKECT 通信程序模型抽取及可靠性驗證 ［J］.計算機科學，2012，39 （11）：102－106.］

［7］WANG Yuanyang，ZHOU Yuanping.The accomplishment of multi－pthread communication based on socket model in the Linux［J］.Microcomputer Information，2009，25 （5－3）：70－72 （in Chinese）.［王遠洋，周淵平.Linux下基于socket多線程并發(fā)通信的實現(xiàn)［J］.微計算機信息，2009，25 （5－3）：70－72.］

［8］WANG Jianxin，YAN Jun.Application of MSComm and Multthread in data acquisition system ［J］.Computer Applications and Software，2006，23 （4）：134－136 （in Chinese）. ［王建新，嚴駿.MSComm 和多線程在數(shù)據采集系統(tǒng)中的應用 ［J］.計算機應用與軟件，2006，23 （4）：134－136.］

［9］ZHANG Guolong，XU Xiaosu.Design of simulation inertial measurement units based on multithreading of VC＋＋ ［J］.Journal of Chinese Inertial Technology，2009，17 （1）：20－23（in Chinese）.［張國龍，徐曉蘇.基于VC＋＋多線程技術的模擬慣性測量組件設計 ［J］.中國慣性技術學報，2009，17（1）：20－23.］

［10］QU Wenxin，F(xiàn)AN Xiaoya.Research progress in memory technique of the multi－core and multi－thread processor ［J］.Computer Science，2007，34 （4）：13－16 （in Chinese）.［屈文新，樊曉椏.多核多線程處理器存儲技術研究進展 ［J］.計算機科學，2007，34 （4）：13－16.］

［11］FENG Junyu，DAI Qingyun.Realtime data collecting system basing on Multi－thread serial communition technology ［J］.Microcomputer Information，2006，22 （10）：149－152 （in Chinese）.［馮峻域，戴青云.基于多線程串口通信的生產數(shù)據實時采集系統(tǒng)［J］.微計算機信息，2006，22 （10）：149－152.］