多線程串口通信技術(shù)在GPS導(dǎo)航中的應(yīng)用

0 引 言

GPS(Global Position System)具有全球性、全天候性優(yōu)勢的定位、定時、測速系統(tǒng)，用戶利用GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星發(fā)射的信號，從而獲取當(dāng)前位置的大地坐標(biāo)、高程和時間等信息，達(dá)到定位、導(dǎo)航或測量高程的目的。衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)被廣泛應(yīng)用于海洋勘測、海洋工程、海洋開發(fā)和軍事作戰(zhàn)中，高精度、快捷方便、全天候等優(yōu)良特性，使其越來越受到人們的青睞。在GPS導(dǎo)航中，需要實時采集遵循NMEA0183協(xié)議的GPS數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)庫，為以后在電子地圖上實時顯示目標(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，要求程序在對串行端口進(jìn)行實時監(jiān)控的同時，可以在前臺進(jìn)行數(shù)據(jù)提取、保存、顯示等操作。為了解決實時性和多任務(wù)處理，避免某項任務(wù)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(jìn)程是程序在計算機(jī)上的一個執(zhí)行實例，線程是程序中的一條執(zhí)行分支，多線程就是在同一個程序中可以同時執(zhí)行多個任務(wù)。每一個進(jìn)程至少有一個主執(zhí)行線程，它無需由用戶去主動創(chuàng)建，是由系統(tǒng)自動創(chuàng)建的。用戶根據(jù)需要在應(yīng)用程序中創(chuàng)建其他線程，多個線程并發(fā)地運行于同一個進(jìn)程中。

一個進(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)境對多線程技術(shù)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(qū)別在于工作者線程沒有消息循環(huán)，而用戶界面線程有自己的消息隊列和消息循環(huán)。工作者線程通常用來執(zhí)行后臺計算和維護(hù)任務(wù)。用戶界面線程一般用于處理獨立于其他線程執(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()來創(chuàng)建并初始化一個線程的運行，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)常要同時訪問一些資源，因此對共享資源進(jìn)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(qū)、使用互斥對象、使用信號量、使用事件。

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(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，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(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，既可以使編程效率高，程序可控性強(qiáng)，又比Window API編程簡單，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Win32 API的打包類，對處理串口的Win32 API類進(jìn)行了封裝，借助這個類可以很方便地對串口進(jìn)行操作，容易實現(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GPS定位技術(shù)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(jī)串口的定位數(shù)據(jù)，在實時監(jiān)視串口的同時還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、顯示等，利用多線程串口通信技術(shù)將很好地解決這個問題。通過對GPS導(dǎo)航系統(tǒng)分析，將程序分成以下幾個線程：

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)保存到一個緩沖區(qū)。

入庫線程：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。

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(dǎo)航系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3．2 具體實現(xiàn)

系統(tǒng)首先對線程在相應(yīng)的頭文件中說明，然后在程序初始化時加人創(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(jiān)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(shè)置好串口參數(shù)，再開啟串口監(jiān)測工作線程。串口監(jiān)測工作線程監(jiān)測到串口接收到的數(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。