多線程串口通信技術在GPS中的應用

引言

　　GPS(Global Position System)具有全球性、全天候性優勢的定位、定時、測速系統，用戶利用GPS接收機接收衛星發射的信號，從而獲取當前位置的大地坐標、高程和時間等信息，達到定位、導航或測量高程的目的。衛星導航定位技術被廣泛應用于海洋勘測、海洋工程、海洋開發和軍事作戰中，高精度、快捷方便、全天候等優良特性，使其越來越受到人們的青睞。在GPS導航中，需要實時采集遵循NMEA0183協議的GPS數據，對數據進行處理后，通過ODBC接口將用戶的位置、時間、速度等信息存到數據庫，為以后在電子地圖上實時顯示目標位置提供依據。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行實時監控的同時，可以在前臺進行數據提取、保存、顯示等操作。為了解決實時性和多任務處理，避免某項任務長時間占用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

　　進程是程序在計算機上的一個執行實例，線程是程序中的一條執行分支，多線程就是在同一個程序中可以同時執行多個任務。每一個進程至少有一個主執行線程，它無需由用戶去主動創建，是由系統自動創建的。用戶根據需要在應用程序中創建其他線程，多個線程并發地運行于同一個進程中。

　　一個進程中的所有線程都在該進程的虛擬地址空間中，共同使用這些虛擬地址空間、全局變量和系統資源。

　　1．2 VC

　　VC++環境對多線程技術的支持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。二者的主要區別在于工作者線程沒有消息循環，而用戶界面線程有自己的消息隊列和消息循環。工作者線程通常用來執行后臺計算和維護任務。用戶界面線程一般用于處理獨立于其他線程執行之外的用戶輸入，響應用戶及系統所產生的事件和消息等。

　　1．3 線程創建、掛起、恢復、終止

　　在MFC中，一般用全局函數AfxBeginThread()來創建并初始化一個線程的運行，該函數有兩種重載形式，分別用于創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用SuspendThread()掛起的線程。Exit-Thread(DWORD dwExitC0de)用于線程終結自身的執行。

　　1．4 線程同步

　　線程之間經常要同時訪問一些資源，因此對共享資源進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、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進行編程；使用第三方提供的一些串口通訊類進行編寫。

　　(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，需要做許多復雜的處理。

　　(2)Windows API

　　利用Windows API編寫串口程序，特別是復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，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行串口編程時，既可以使編程效率高，程序可控性強，又比Window API編程簡單，其中應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類進行了封裝，借助這個類可以很方便地對串口進行操作，容易實現多線程的串口通信，編寫的程序在Windows 98／NT／2000／XP操作系統下可很好地運行。

　　比較3種串口通信方式，可以發現使用第三方串口通信類CSerialPort是實現Windows下多線程串口編程的較好選擇。

　　3 多線程編程技術在GPS數據采集系統中的應用

　　3．1 GPS導航系統功能分析

　　GPS導航是通過GPS定位技術實時給出用戶所在的位置，這就要求需要實時接收來自GPS接收機串口的定位數據，在實時監視串口的同時還需要進行數據存儲、顯示等，利用多線程串口通信技術將很好地解決這個問題。通過對GPS導航系統分析，將程序分成以下幾個線程：

　　主線程：負責處理用戶界面的消息處理，按照預定義流程調度其他線程處理數據。

　　串口監視線程：監視串口，采集數據并將數據保存到一個緩沖區。

　　入庫線程：從緩沖區讀取數據進行相應處理并將處理好的數據存入數據庫。

　　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導航系統框圖如圖1所示。

　　3．2 具體實現

　　系統首先對線程在相應的頭文件中說明，然后在程序初始化時加入創建程序代碼，這樣創建后，線程就可以和主線程并發執行了。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：首先設置好串口參數，再開啟串口監測工作線程。串口監測工作線程監測到串口接收到的數據流、控制事件或其他串口事件后，就以消息方式通知主程序，激發消息處理函數進行數據處理，這是對接收數據而言的；發送數據可直接向串口發送。應用程序流程如圖2所示。