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（深圳信息職業技術學院，廣東 深圳 518029）  林  濤，耿  壯

林濤（1963－）

    男，碩士，現任深圳信息職業技術學院計算機應用系講師，主要研究方向為單片機與嵌入式系統、網絡技術、信息安全。

1  引言

    目前，先進的嵌入式計算機以其優良的品質、高可靠性及模塊化，廣泛地應用于工業控制、航空航天、醫療、智能儀表、通信、數控、自動化生產設備、數據采集等領域。在實際應用中，為了提升系統的整體性能，必須實現PC機和嵌入式計算機之間的通信。由于串行通信具有連接簡單、使用靈活方便、數據傳遞可靠等優點，可采用串行通信方式進行數據下載。但是，Windows操作系統對系統底層操作采取了屏蔽的策略，不允許用戶對硬件I/O口進行直接操作，進行串行通信只能通過調用API函數來完成；同時Windows 9x通過消息隊列驅動管理程序，DOS中斷服務例程在其下面也很難實現，且實時性和可靠性都得不到保證；筆者考慮可以通過多線程編程解決這一問題，來提高數據傳輸的吞吐量和應用程序的可靠性。

    高速串口數據采集軟件的設計不同于普通串口通信，要求在接收數據采集設備發送大量數據的同時完成對已接受到數據的實時存儲，如果處理不好二者之間的關系，會造成數據的丟失甚至程序的崩潰。這就要求應用程序能夠同時處理兩件以上不同的任務。Win32是基于線程的搶先式多任務操作系統，使得應用程序能夠同時執行多個任務，即在一個進程中可以同時運行多個線程。一個線程是指程序的一條執行路徑，系統不停的在多個線程之間切換。由于時間很短，看上去多個線程在同時運行。對于通訊這種需要花費大量時間來測試I/O操作，同時又要保持響應用戶其它操作的應用程序來說，創建多線程是最佳選擇。

2  基于ARM的嵌入式數據采集系統

    本文以基于ARM的嵌入式數據采集系統為背景進行論述。現場的嵌入式數據采集系統采集各種傳感器發來的數據，包括電流、電壓、溫度、壓力、振動等。采集系統通過485總線實時將數據送到給PC機，PC機通過多線程方式接收嵌入式數據采集系統發來的數據，送本地數據庫系統或者通過Internet發往數據處理中心，如圖1所示。

    文中的嵌入式數據采集系統采用了由PHILIPS公司生產的ARM7TDMI微處理器LPC2214，LPC2214是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMICPU的微控制器，并帶有16K字節片內靜態RAM和256 KB嵌入的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過30%，而性能的損失卻很小。LPC2214較小的144腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、8路10位ADC（64腳和144腳封裝）以及多達9個外部中斷使它們特別適用于工業控制、醫療系統、訪問控制和POS機。可使用的GPIO（General Purpose Input/Output，通用輸入輸出）高達76（使用了外部存儲器）～112個（單片應用）。由于內置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網關、協議轉換器、嵌入式軟Modern以及其它各種類型的應用。

圖1 基于ARM的數據采集系統

3  用多線程技術實現數據采集系統和PC機的通信

    (1)  多線程程序設計思想 

    在32位Windows系統中，多任務是指系統可以同時運行多個進程，每個進程也可以同時執行多個線程。進程就是應用程序的運行實例。每個進程都有自己私有的虛擬地址空間，每個進程都有一個主線程，但可以建立另外的線程。進程中的線程是并行執行的，每個線程占用CPU的時間由系統來劃分。

    可以把線程看作是操作系統分配CPU時間的基本實體，系統不停的在各個線程之間切換，它對線程的中斷是匯編語言級的。系統為每一個線程分配一個CPU時間段，某個線程只有在分配的時間段內才有對CPU的控制權。

    高速串口數據采集的特點是接收數據的速度要求很高，數據量很大，根據這些特性，可以在程序中創建一個輔助工作者線程專門來監視串行口的輸入。由于寫串口的數據量不大，不會太費時，所以可以在主線程中完成寫端口的任務，不必另外創建線程。

    (2)  用API函數實現串行通信的基本流程

    首先CreatFile()函數打開通信資源，之后配置通信資源屬性由以下API函數完成：SetupComm()設置串行通信端口的輸入和輸出緩沖區的大小；通過設備控制塊DCB修改和設置串口工作狀態的參數，如波特率、數據位、奇偶校驗位等通信參數，SetCommState()將DCB結構中的內容寫入串口設置；SetCommTimeouts()設置串口讀寫操作的溢出時間。設置工作完成后串行通信可用ReadFile()對通信資源進行讀操作，WriteFile()進行寫操作。

    串行通信結束時調用函數CloseHandle()來關閉CreateFile()函數返回的串口句柄。

    (3)  數據采集線程

    多線程的串口I/O通信編程中，將對串口的讀、寫操作視為同一進程的兩個不同任務，創建讀線程和寫線程分別完成對串口的讀、寫操作；由于異步串行通信事件的隨機性和實時性，要求通信線程優先于主線程被處理，所以設置各線程的優先級別如下：

    讀線程的優先級>寫線程的優先級>主線程的優先級。

    主線程是數據采集程序的管理者，用來初始化串口（通過調用Win32 API函數），自定義通信事件消息，創建、刪除輔助線程，進行人機交互的操作及協調好各線程的運行。程序流程如圖2所示。

圖2  數據采集程序框圖

    左邊為主線程，右邊為子線程。用戶通過VC設計的界面上的控件打開串口，并且發送數據。當對串口的參數設置完畢，串口成功打開的同時，子線程即接收線程開始運行。用戶發送數據的同時，接收線程的控制函數也同時運行，當控制函數接收到讀串口事件時，調用讀串口函數，讀取串口接收到的數據。子線程一直運行，也不斷的讀取接收到的數據，并顯示在用戶的界面上。當用戶關閉串口，主線程要終止，此時子線程也收到主線程發送的關閉串口事件，終止線程，關閉串口。

    (4)  后臺輔助線程   

    后臺輔助線程是數據采集軟件的核心，包括串口監視線程、讀線程。串口監視線程在后臺對串口進行實時監視，當監視到預定義的事件時，立即調用相應的線程進行處理并向主線程發相應的消息，如接收到數據就調用讀線程自動接收數據并進行處理，同時向主線程發送。

圖3  串口監視線程的實現

    接收到數據的消息，串口監視線程發送完此消息后就執行后面的程序代碼，繼續對串口進行監視，做到了處理消息與監視串口兩不誤，既保證了數據采集的實時性，又避免了資源的浪費，其處理過程如圖3所示。

4  結語

    本文分析了多線程技術在嵌入式數據采集系統中的應用，利用多線程，可以實現嵌入式系統與PC機的高速通信。通過兩個通信線程并發執行，加以同步管理，應用程序能夠在發送數據的同時接收數據，實時響應性強，高效可靠，有效地避免了數據丟失、程序鎖死等問題。在數據采集的實際應用中結果令人滿意。

    其他作者：耿壯（1954－），現任深圳信息職業技術學院計算機應用系副教授，主要研究方向為單片機與嵌入式系統、網絡管理、多媒體技術。

參考文獻
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