劉剛

（蘇州市職業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，蘇州215104）

0 引言

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，各種嵌入式產(chǎn)品也得到了廣泛地應(yīng)用。這些嵌入式產(chǎn)品將感知、監(jiān)控、控制、通信等技術(shù)融入到了工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，在提高制造效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本等方面發(fā)揮了巨大的作用[1]。串口通信技術(shù)作為嵌入式產(chǎn)品開發(fā)中一項(xiàng)重要的通信技術(shù)，其通信性能的高低決定了嵌入式產(chǎn)品的性能好壞。特別是對實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用尤為重要。傳統(tǒng)的雙串口通信機(jī)制在數(shù)據(jù)收發(fā)和處理時(shí)存在程序的負(fù)荷過重，響應(yīng)不及時(shí)的缺點(diǎn)。為了解決這個(gè)問題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)新的高性能雙串口通信模型，該模型的每個(gè)串口對應(yīng)一個(gè)應(yīng)用進(jìn)程，負(fù)責(zé)和單個(gè)串口進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)處理。當(dāng)兩個(gè)串口之間需要數(shù)據(jù)交互時(shí)，兩個(gè)應(yīng)用程序可通過進(jìn)程間通信實(shí)現(xiàn)。這樣減輕了程序的處理負(fù)荷，降低了程序之間的耦合度，加快了程序的響應(yīng)速度，提升了用戶體驗(yàn)。

1 相關(guān)組件

串行接口（簡稱串口）是計(jì)算機(jī)上通用的設(shè)備通信協(xié)議。它將接收來自CPU的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流發(fā)送出去，同時(shí)可將接收到的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)據(jù)字符供給CPU，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理設(shè)備和外圍設(shè)備之間的信息傳輸[2]。其通信示意圖如圖1所示。

圖1串口通信示意圖

1.1 CnComm串口類

由于串口通信是一種通用的，且使用非常廣泛標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，因此在進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)時(shí)有很多標(biāo)準(zhǔn)的串口通信組件或接口可使用。CnComm[3]是llbird開發(fā)的Windows/WinCE多線程串口通訊開源庫，使用C++（ANSI/Unicode）開發(fā)，支持的平臺包括Windows

（Win98/NT/2000/XP/2003/Vista）、WinCE 5.0/6.0、Pock?et PC 2003，在BC++5（free tool）、C++Builder 4,5,6,X、EVC 4（sp4）、G++3,4、Intel C++7,8,9、VC++6（sp6）、.NET 2003,2005等，提供同步I/O并發(fā)訪問的支持，內(nèi)存管理采用內(nèi)存池技術(shù)。CnComm多線程串口類的類結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CnComm多線程串口類結(jié)構(gòu)

CnComm是定義的多線程串口類，CnComm::Block?Buffer類是根據(jù)通訊特點(diǎn)開發(fā)的緩沖區(qū)類，單向鏈表內(nèi)存塊，提供一些擴(kuò)展以支持和API掛接，CnComm::In?nerLock是自動鎖類，用于函數(shù)內(nèi)部，利用對象的生命周期完成鎖定及解鎖，CnComm::MfcException是一個(gè)異常處理類，用于MFC的異常處理，CnComm::BlockBuf?fer::Block是定義的緩沖區(qū)內(nèi)存塊，CnComm::BlockBuf?fer::InnerLock是定義的自動鎖類，CnComm::BlockBuf?fer::Iterator是定義的緩沖區(qū)迭代器。

1.2 EM9000工控板

英達(dá)EM9000是一款面向工業(yè)自動化領(lǐng)域的高端嵌入式工控主板[4]。其內(nèi)核CPU為200MHz的ARM920T，預(yù)裝正版Window CE5.0實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。EM9000帶有一個(gè)10M/100M自適應(yīng)快速以太網(wǎng)接口、4個(gè)異步串口以及2個(gè)HOST模式的USB接口、一個(gè)高速全雙工SPI以及一個(gè)CAN總線接口。EM9000產(chǎn)品正視圖如圖3所示。

圖3 EM9000工控板正視圖

EM9000的4個(gè)輸入輸出插座，是按照一定的功能劃來配置的。CN1主要系統(tǒng)的通訊接口（如以太網(wǎng)、異步串口、USB等）和矩陣鍵盤；CN2主要包括精簡ISA擴(kuò)展總線、GPIO以及+5V電源供電，數(shù)字音頻和SPI與部分GPIO管腳復(fù)用；CN4主要是TFT LCD接口信號和觸摸屏；而CN5則只包括標(biāo)準(zhǔn)IDE接口信號。EM9000的CN1、CN2和CN4所在位置示意圖如圖4所示。

圖4 EM9000的CN1、CN2、CN4和CN5所在位置示意圖

2 創(chuàng)建雙串口通信應(yīng)用程序

本文使用Visual Studio 2005創(chuàng)建應(yīng)用程序，在創(chuàng)建應(yīng)用程序之前，假設(shè)讀者已搭建好了開發(fā)環(huán)境（包括WinCE SDK、EM9000SDK和Visual Studio 2005的安裝與配置等），也已經(jīng)下載了相應(yīng)的CnComm類庫文件。

2.1 創(chuàng)建嵌入式應(yīng)用項(xiàng)目

首先，打開Visual Studio 2005，選擇創(chuàng)建新項(xiàng)目。在項(xiàng)目創(chuàng)建向?qū)е?，選擇智能設(shè)備->MFC智能設(shè)備應(yīng)用程序，并為程序輸入一個(gè)合適的項(xiàng)目名稱。接下來在Platform SDK中，選擇之前已經(jīng)安裝好的EM9000 SDK，應(yīng)用程序類型選擇基于對話框的類型。

2.2 打開串口

首先，在新建的項(xiàng)目中，導(dǎo)入CnComm.h頭文件。接著，在應(yīng)用程序類中添加兩個(gè)CnComm類對象m_com1和m_com2。之后，在應(yīng)用程序的初始化實(shí)例中，就可以打開串口，代碼如下：

BOOL CSerialTest::InitInstance（）

{

if（!m_com1.IsOpen（））

{

if（!m_com1.Open（1,19200））{

return false

}

}

if（!m_com2.IsOpen（））

{

if（!m_com2.Open（2,19200））

{

return false

}

}

}

2.3 串口數(shù)據(jù)接收與發(fā)送

首先，在CSerialTestDlg類的初始化函數(shù)中設(shè)置串口數(shù)據(jù)接收的窗口句柄，代碼如下：

theApp.m_com1.SetWnd（this->m_hWnd）;

theApp.m_com1.SetWnd（this->m_hWnd）;

其次，在SerialTestDlg.h文件中，添加消息處理函數(shù)，代碼如下：

afx_msg LRESULTOnComRecv（WPARAM,LPARAM）

接著，在SerialTestDlg.cpp文件中，添加消息映射，代碼如下：

BEGIN_MESSAGE_MAP

ON_MESSAGE（ON_COM_RECEIVE,OnComRecv）

END_MESSAGE_MAP

最后，實(shí)現(xiàn)OnComRecv消息處理函數(shù)，代碼如下：

LRESULT CSerialTestDlg::OnComRecv（WPARAM wParam,

LPARAMlParam）

{

int portNum=（int）wParam;

if（1==portNum）

{

BYTEbuf[256];

int len=theApp.m_com1.Read（buf,256）;

buf[len]=0;

BYTEdata[]={0x01};

theApp.m_com2.Write（（LPVOID）data,sizeof（data）/sizeof

（BYTE））;

}

elseif（2==portNum）

{

BYTEbuf[256];

int len=theApp.m_com1.Read（buf,256）;

buf[len]=0;

BYTEdata[]={0x02};

theApp.m_com1.Write（（LPVOID）data,sizeof（data）/sizeof

（BYTE））

}

}

從上述代碼中可以看出，利用CnComm類進(jìn)行串口通信應(yīng)用開發(fā)非常方便，只需要定義兩個(gè)串口對象，之后就可以調(diào)用CnComm類中封裝好的函數(shù)，完成諸如串口的打開、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等。上述的雙串口通信中，數(shù)據(jù)的接收處理全部是在OnComRecv函數(shù)中完成，其通信模型如圖5所示。

圖5傳統(tǒng)雙串口通信模型

傳統(tǒng)通信模型的優(yōu)點(diǎn)是：若串口1和串口2之間存在信息交互，可直接調(diào)用對方串口對象的Write函數(shù)實(shí)現(xiàn)信息的發(fā)送。但問題是串口1和串口2的數(shù)據(jù)處理全部糅合在一個(gè)應(yīng)用程序中完成，增加了應(yīng)用程序數(shù)據(jù)處理的負(fù)荷，特別是對于一些復(fù)雜的、耗時(shí)的處理和實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用，就會造成程序卡頓或假死現(xiàn)象。

3 高性能雙串口通信模型

為了解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)新的高性能雙串口通信模型，如圖6所示。該模型每個(gè)串口對應(yīng)一個(gè)應(yīng)用程序，負(fù)責(zé)和單個(gè)串口進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)處理。當(dāng)兩個(gè)串口之間需要數(shù)據(jù)交互時(shí)，兩個(gè)應(yīng)用程序可通過進(jìn)程間通信實(shí)現(xiàn)。

圖6高性能雙串口通信模型

單串口通信應(yīng)用程序僅需要創(chuàng)建一個(gè)串口類對象，其余過程實(shí)現(xiàn)和第2節(jié)所述過程完全相同，這不再贅述。若串口1和串口2之間有信息交換，可通過兩個(gè)單串口應(yīng)用程序的進(jìn)程間通信來完成，即通過向?qū)Ψ酱翱诎l(fā)送WM_COPYDATA消息來實(shí)現(xiàn)。以串口1給串口2發(fā)送數(shù)據(jù)，串口2接收串口1的發(fā)送來的數(shù)據(jù)為例。

（1）串口1給串口2發(fā)送數(shù)據(jù)，通過FindWindow函數(shù)找到串口2應(yīng)用程序的進(jìn)程，將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝到COPYDATASTRUCT的結(jié)構(gòu)體中，之后向串口2的應(yīng)用程序窗口發(fā)送WM_COPYDATA消息即可。具體代碼如下：

CString sendContent=“要發(fā)送的數(shù)據(jù)”;

LRESULTcopyDataResult;

CWnd*pOtherWnd=CWnd::FindWindow（NULL,“App2”）;

if（pOtherWnd）

{

COPYDATASTRUCTcpd;

cpd.dwData=1;

cpd.cbData=2*sendContent.GetLength（）+1;

cpd.lpData=（void*）sendContent.GetBuffer（cpd.cbData）;

copyDataResult=pOtherWnd->SendMessage（WM_COPY?

DATA,this->m_hWnd,（LPARAM）&cpd）;

}

（2）串口2接收串口1發(fā)送來的數(shù)據(jù)

給應(yīng)用程序2的對話框類添加WM_COPYDATA消息，此消息處理函數(shù)可以接收到應(yīng)用程序1進(jìn)程發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并在其中對接收來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。具體代碼如下：

BOOL CApp2Dlg::OnCopyData（CWnd*pWnd,COPYDATA?STRUCT*pCopyDataStruct）

{

CString strReceivedText=（LPWSTR）（pCopyDataStruct->lpData）;

strReceivedText=strReceivedText.Left（pCopyDataStruct->cbData）;

}

本文所提出的通信模型，將每個(gè)串口數(shù)據(jù)的收發(fā)和處理獨(dú)立開來，分別剝離到單一的應(yīng)用程序中。這樣就減輕了程序的處理負(fù)荷，降低了程序之間的耦合度，加快了程序的響應(yīng)速度。避免應(yīng)用程序出現(xiàn)卡頓或假死的現(xiàn)象，提升了用戶體驗(yàn)。圖7和圖8是相同功能采用兩種通信模型實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用程序在CPU處理負(fù)荷和響應(yīng)速度上的表現(xiàn)。由圖7和圖8可知，本文所提模型在CPU負(fù)荷上相比傳統(tǒng)模型平均降低了41%，在響應(yīng)速度上平均加快近了4.5倍。

圖7 CPU處理負(fù)荷對比

圖8響應(yīng)速度對比

4 結(jié)語

串口通信是嵌入式應(yīng)用開發(fā)中進(jìn)行設(shè)備間數(shù)據(jù)交換的重要途徑之一。在應(yīng)用程序開始時(shí)，面對傳統(tǒng)雙串口通信模型的缺點(diǎn)，本文提出了一種高性能雙串口通信模型，該模型相比傳統(tǒng)通信模型平均降低CPU負(fù)荷41%，提升程序的響應(yīng)速度約4.5倍。