POS实时监控软件多线程通信设计及实现

刘艳群，朱庄生

（1.北京航空航天大学 惯性技术重点实验室，北京100191；2.北京航空航天大学 新型惯性技术仪表与导航系统技术国防重点学科实验室，北京100191）

0 引 言

位置姿态测量系统 （position and orientation system，POS）［1，2］主要由惯性测量单元 （inertial measurement unit，IMU）、全球定位系统 （global position system，GPS）、POS计算机系统 （POS computer system，PCS）和后处理软件组成［3］，因此POS系统是一个复杂且有大量数据信息传递和存储的系统。从POS工程应用背景的需求来说，需要对POS系统进行实时监控，但要实现对POS系统的实时监控，首要解决是通信问题。监控软件常用监控接口有串口、USB口、网口等。监控软件一般采用单一的接口作为监控接口，但这种方式会导致监控能力受到接口性能的限制。例如：串口数据传输速度和传输距离导致监控软件只能实现低速、短距离的监控；以太网虽能实现高速、远距离监控，但大数据量的传输会造成数据流阻塞和资源浪费。

本文基于Windows Socket的网络数据传输和MSComm串口通信原理，设计基于TCP/IP 协议的流式套接字的网络数据传输和MSComm 串口监控多线程通信系统，实现对POS系统的数据传输及系统的监控，消除了单一监控接口的弊端，充分利用了不同通信方式的优势，实现优势互补，具有很好的工程应用价值。

1 多线程通信方法

1.1 POS系统

POS的基本工作原理如图1所示，系统由IMU 和POS导航计算机两大部分组成，POS导航计算机集成了系统供电单元、GNSS接收单元、数据处理单元、数据存储单元等；IMU 由加速计、陀螺仪和温度传感器等各类传感器构成。利用IMU 可实时连续地测量载体的角速度和加速度信息，通过积分运算可得载体的位置、速度和姿态等参数，但由于积分运算会导致误差的积累而引发导航结果的发散；GNSS单元通过获取卫星信号实时解算得到高精度的位置信息，但其数据更新率低；因此将两者组合起来，综合二者的优点，实现优势互补，经过平滑、事后差分等后处理，可以获得更高精度的位置姿态信息。

图1 POS的基本工作原理

由于POS应用于各种载荷，POS接口也从单一的串口向多样的、高速、可靠接口发展，目前POS 的接口资源有：串口RS－232、串口RS－422、CAN 口、以太网等。

由于串口RS－232和RS－422结构简单，编程简易，已广泛作为工业通信的一种手段。串口RS－232的最大传输距离约为15m，最大传输速率为460800b/s；串口RS－422的最大传输距离约为1200 多米，最大传输速率为10Mb/s。但串口RS－232、RS－422 通信的可靠性低，抗噪声干扰性弱，以及其传输速度和传输距离的限制，使其通信能力受到严重的局限。

CAN 总线属于工业现场总线，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。与一般的通信总线相比，CAN 总线网络各节点之间的数据通信实时性强，通信速率最高可达1Mb/s，但传输距离与速率成反比例。CAN 总线适用于大数据量短距离或者长距离小数据量，实时性要求比较高的通信。

以太网通信是一种高速、可靠的通信方式，目前10、100Mb/s的快速以太网已开始广泛应用，1Gb/s以太网技术也逐渐成熟。且通信网络具有更高的带宽和性能，通信协议有更高的灵活性，是任何一种通信手段所无法比拟得。

根据各接口的特点，在POS中串口主要用于器件间的低速数据传输，如与监控上位机间的数据传输；CAN 总线通信主要用于与载荷间的高速数据传输；以太网通信主要用于高速数据的存储传输。本文提出一种多线线程的通信方案，采用以太网通信和串口通信并行使用，解决了高速数据传输和实时监控的问题。

1.2 多线程通信设计总体方案

MFC中有两类线程，分别称之为用户界面线程和工作者线程。用户界面线程拥有自己的消息队列和消息循环来处理界面消息，可以与用户进行交互；工作者线程没有消息循环，一般用来完成后台计算和维护任务。本文提出的多线程方法总台方案是：在工作者线程中开启一个以太网通信工作线程，利用Windows Socket 控件建立了基于TCP/IP协议的以太网通信［4－7］，在软件后台运行，实现与POS系统高速数据的传输；在用户界面线程运行串口通信线程，利用MSComm 控件设计串口通信［8－11］，实现与用户的交互，实现对POS系统状态的实时监控；利用工作者线程与用户界面线程拥有各自的消息响应机制，不会产生干扰的特性，实现了以太网和串口并行通信。总体设计方案流程如图2所示。

图2 多线程通信设计流程

2 多线程通信设计

2.1 串口通信设计

MSComm 控件有两种处理通信的方式，一种是事件驱动方式；另一种是定时或不定时查询方式。本次设计要实现对POS系统的实时监控，因此对程序的实时性和速度要较高要求，所以本次设计选择了事件驱动方式。串口通信设计流程如图3所示。

（1）对MSComm 控件的进行初始化配置

将MSComm 控件通信端口设置为端口1；波特率为9600，无校验位，8位数据位，1位停止位；以二进制方式接收数据；当缓冲器有数据就触发OnComm 事件；每次都将缓冲区的数据全部接收。

（2）编写OnComm 事件处理函数

利用GetCommEvent（）函数获取串口事件，当返回值为2时表示缓冲区有数据；将缓冲区的数据提取出来。

（3）利用SetPortOpen函数打开串口

BOOL CMSComm：：SetPortOpen （BOOL Value）

当Value设置为TURE 时串口打开；设置为FALSE则串口关闭。

（4）利用函数通过串口向POS系统的下位机发送指令

2.2 以太网通信设计

Windows Socket支持两种类型的套接字，即流式套接字 （SOCK ＿STREAM）和数据报套接字 （SOCK ＿DGRAM）。因为POS系统的复杂性，和考虑系统安全可靠性要求，本次设计采用的是流式套接字。且采用TCP/IP协议，上位机监控软件作为客户端，POS系统作为服务器。以太网通信设计流程如图4所示。

图4 以太网通信流程

（1）以太网初始化，加载套接字数据库，创建流式套接字，将套接字设为非阻塞模式。

（2）利用WSAAsyncSelect函数建立套接字的事件通知

（3）添加网络事件处理函数OnSockt。

（4）利用connect函数创建与POS系统服务器的连接

2.3 多线程设计

多线程设计流程如图2所示。串口通信界面线程位于主线程中，完成MSComm 控件的初始化后，就开启串口通信界面线程，因此多线程的设计主要是针对以太网工作线程设计。

（1）创建Windows Socket工作线程的入口函数

DWORD WINAPI ThreadFun（LPVOID pThread）

创建工作线程时，首先要先建立线程的入口函数，当工作线程被启动后会转入该函数，并且函数退出时工作线程就会结束。ThreadFun是入口函数名，也就是工作线程开始执行时代码所在的函数地址，pThread是工作线程传递的入口函数的参数。如2.1节所述WSAAsyncSelect函数实现套接字自主监控网络事件的功能，一旦启动该函数，将启动一个网络事件监控的一个线程，因此若在主线程即界面线程中就调用该函数，则会与串口消息的OnComm 事件处理函数发生冲突，因此将在工作线程的入口函数调用WSAAsyncSelect函数，为其开辟另一个工作线程，实现网络通信和串口通信的并行执行。

（2）利用CreatThread函数创建Windows Socket工作线程

参数lpThreadAttributes用来决定线程句柄是否可以被子线程继承，此处将其设为NULL，令返回的句柄不能被继承；参数dwStackSize指定新线程的堆栈的大小，将其设为0，线程将与进程的主线程堆栈相同；参数lpStartAddress是指向线程的入口函数，即2.3 节 （1）中所建立的函数；参数lpParameter是线程传递给线程入口函数的参数；参数dwCreationFlags设为0，使得线程产生后立即执行；参数lpThreadId用来存放返回线程ID。

（3）利用Terminate Thread函数终止线程

BOOL Terminate Thread （HANDLE hThread，DWORD dwExitCode）；

3 界面设计及实验验证

3.1 界面设计

3.1.1 设计通信接口配置界面

界面由两部分组成，一个是MSComm 串口通信配置；另一个是Windows Socket 套接字的配置。效果如图5所示。

通过对相关参数的配置，实现了对MSComm 串口和Windows Socket套接字的初始化，只要启动连接则建立了与POS系统的连接，可以实现数据传输和系统监控。

3.1.2 串口监控主界面设计

监控界面由三大部分组成，一是系统的通信状态显示；二是系统的工作状态显示；三是系统的工作参数显示。效果如图6所示。

3.2 实验验证

实验采用北京航空航天大学研制的1.5代光纤POS系统，测试系统如图7所示。

图5 通信接口配置界面

图6 串口监控主界面

图7 测试系统结构

测试结果：POS系统静态测试实验验证了，多方式通信并行性的可行性，上位机既能实时通过串口监控POS系统的工作状态，同时能通过网口实时存储GPS接收机的实时卫星导航结果数据。图8和图9是测试结果。

图8 上位机实时串口监控结果

图9 网口实时存储的卫星导航结果数据

4 结束语

本文利用多线程方法，提出开辟工作线程，将以太网通信置于后台运行，避免了与界面线程的串口通信的冲突，因此实现了以太网通信和串口通信并行通信。该方案有效的利用了网络通信和串口通信各自的优点，使得上位机既能实现与POS系统的高速数据传输，又能实现对POS系统监控。但该方案还存在不足之处，这两种通信方式只是独自运行，并未进行数据交流共享，下一步可研究两种通信方式的数据交换共享，充分利用数据信息，扩展其功能。

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