多线程串口通信技术在GPS导航中的应用

摘 要：GPS导航系统需要实时获取来自接收机串口的定位数据，在对串口实时监控的同时还可以在前台进行一些其他的操作，利用基于多线程的串口通信编程思想方法可以很好地解决这一问题。介绍多线程的基本概念和串口通信编程技术，分析了GPS导航系统的功能和需求，着重阐述了采用基于多线程的CSerialPort类的串口通信方法来获取定位数据，并且给出了CSerialPort类的使用方法。经过调试，程序运行平稳。
关键词：多线程；串口通信；CSerialPort；GPS导航

0 引 言
    GPS(Global Position System)具有全球性、全天候性优势的定位、定时、测速系统，用户利用GPS接收机接收卫星发射的信号，从而获取当前位置的大地坐标、高程和时间等信息，达到定位、导航或测量高程的目的。卫星导航定位技术被广泛应用于海洋勘测、海洋工程、海洋开发和军事作战中，高精度、快捷方便、全天候等优良特性，使其越来越受到人们的青睐。在GPS导航中，需要实时采集遵循NMEA0183协议的GPS数据，对数据进行处理后，通过ODBC接口将用户的位置、时间、速度等信息存到数据库，为以后在电子地图上实时显示目标位置提供依据。为了避免由于一直等待串口I／0操作而引起的线程阻塞，要求程序在对串行端口进行实时监控的同时，可以在前台进行数据提取、保存、显示等操作。为了解决实时性和多任务处理，避免某项任务长时间占用CPU，多线程编程是一个比较理想的选择。

1 多线程概述
1．1 基本概念
    进程是程序在计算机上的一个执行实例，线程是程序中的一条执行分支，多线程就是在同一个程序中可以同时执行多个任务。每一个进程至少有一个主执行线程，它无需由用户去主动创建，是由系统自动创建的。用户根据需要在应用程序中创建其他线程，多个线程并发地运行于同一个进程中。
    一个进程中的所有线程都在该进程的虚拟地址空间中，共同使用这些虚拟地址空间、全局变量和系统资源。
1．2 VC
    VC++环境对多线程技术的支持visual c++6．0中，MFC类库提供了对多线程编程的支持，使得多线程编程更加方便。MFC中有两类线程，分别称之为工作者线程和用户界面线程。二者的主要区别在于工作者线程没有消息循环，而用户界面线程有自己的消息队列和消息循环。工作者线程通常用来执行后台计算和维护任务。用户界面线程一般用于处理独立于其他线程执行之外的用户输入，响应用户及系统所产生的事件和消息等。
1．3 线程创建、挂起、恢复、终止
    在MFC中，一般用全局函数AfxBeginThread()来创建并初始化一个线程的运行，该函数有两种重载形式，分别用于创建工作者线程和用户界面线程。Sus-pendThread()和ResumeThread()分别用于挂起指定的线程和恢复用SuspendThread()挂起的线程。Exit-Thread(DWORD dwExitC0de)用于线程终结自身的执行。
1．4 线程同步
    线程之间经常要同时访问一些资源，因此对共享资源进行访问引起冲突是不可避免的。为了解决这种资源冲突问题，必须引入线程同步的概念。Win32 API提供了多种同步控制对象来解决共享资源访问冲突，包括使用临界区、使用互斥对象、使用信号量、使用事件。

2 串口通信编程
    目前，在Windows下编程时，常用的串口通信主要有3种方法：用MSC0mm通信控件；用Windows API进行编程；使用第三方提供的一些串口通讯类进行编写。
    (1)MSComm控件
    利用MSComm控件会使编程快捷简单。然而，由于做了大量的封装，降低了编程的可控性和灵活性，因此在多线程多串口编程时，需要做许多复杂的处理。
    (2)Windows API
    利用Windows API编写串口程序，特别是复杂的多线程串口程序时，对于程序员的编程能力要求较高。除了需要程序员熟练掌握和使用众多的API函数，能编写很多底层代码之外，还必须熟悉线程的编程方法。
    (3)第三方串口通信类
    利用第三方的串口通信类进行串口编程时，既可以使编程效率高，程序可控性强，又比Window API编程简单，其中应用最多的第三方的串口通信类是CSerial-Port。它基于多线程，是一个Win32 API的打包类，对处理串口的Win32 API类进行了封装，借助这个类可以很方便地对串口进行操作，容易实现多线程的串口通信，编写的程序在Windows 98／NT／2000／XP操作系统下可很好地运行。
    比较3种串口通信方式，可以发现使用第三方串口通信类CSerialPort是实现Windows下多线程串口编程的较好选择。

3 多线程编程技术在GPS数据采集系统中的应用
3．1 GPS导航系统功能分析
    GPS导航是通过GPS定位技术实时给出用户所在的位置，这就要求需要实时接收来自GPS接收机串口的定位数据，在实时监视串口的同时还需要进行数据存储、显示等，利用多线程串口通信技术将很好地解决这个问题。通过对GPS导航系统分析，将程序分成以下几个线程：
    主线程：负责处理用户界面的消息处理，按照预定义流程调度其他线程处理数据。
    串口监视线程：监视串口，采集数据并将数据保存到一个缓冲区。
    入库线程：从缓冲区读取数据进行相应处理并将处理好的数据存入数据库。
    显示线程：通过地图匹配算法将用户实时位置显示在电子地图上。
    GPS导航系统框图如图1所示。

3．2 具体实现
    系统首先对线程在相应的头文件中说明，然后在程序初始化时加人创建程序代码，这样创建后，线程就可以和主线程并发执行了。主线程、入库线程、显示线程与一般的编程处理相同，所以下面着重说明串口监视线程。
    对串口的操作采用基于多线程编程的CSerialPort类，其工作流程如下：首先设置好串口参数，再开启串口监测工作线程。串口监测工作线程监测到串口接收到的数据流、控制事件或其他串口事件后，就以消息方式通知主程序，激发消息处理函数进行数据处理，这是对接收数据而言的；发送数据可直接向串口发送。应用程序流程如图2所示。

    编程步骤如下：
    (1)建立程序
    建立一个基于单文档的MFC应用程序CSerial-PortTest，其他步骤保持缺省状态。
    (2)添加类文件
    将SerialPort．h和SerialPort．cpp两个类文件复制到工程文件夹中，用Project-Add to Project-Files命令将上述两个文件加入工程，并在任何要调用这个类的模块中加上#include SerialPort．h文件。
    在视类头文件中定义串口类的对象：CSerialPortm_Port。
    (3)人工增加串口消息响应函数OnCommunica-tion(WPARAM ch，LPARAM port)
    首先在CSerialPortTestView．h中添加串口字符接收消息WM_COMM_RXCHAR(串口接收缓冲区内有一个字符)的响应函数声明，即：

    在主线程初始化串口后创建CommThread函数进入死循环，线程一直监视串口事件，当读串口事件发生，读取串口接收到的数据，向主线程发自定义消息WM_COMM RXCHAR，通知主线程在相应的消息响应函数中进行数据处理，当收到主线程的写串口命令时，将缓存中的数据写到串口。
    (5)在OnCommunication()函数中进行数据处理每当串口接收缓冲区内有一个字符时，就产生一个WM COMM RXCHAR消息，触发OnCommunica—tion函数。这时就可以在函数中进行相应数据处理，提取出时间、经纬度、速度等定位的关键数据，然后将这些数据保存到数据库。

4 结 语
    串行通讯在通讯领域被广泛应用。利用基于多线程的第三方串VI通信类CSerialPort很好地解决了由于串口长时间占用CPU而引起的线程堵塞等问题，编程简单、方便、可移植性强，对于其他类型的串口通信问题均可采用。该程序由Microsoft Visual C++6．0编译，在Windows XP下运行通过。