工控程序設(shè)計之串口設(shè)備的數(shù)據(jù)采集.ppt

1、工控程序設(shè)計,學(xué)習(xí)情景2 串口設(shè)備的數(shù)據(jù)采集,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,2.3.1 學(xué)習(xí)要點 1.知識點：線程的概念，委托的概念和使用方法，線程的創(chuàng)建和啟動，工作者線程和用戶界面線程之間的數(shù)據(jù)傳遞，線程同步技 2.技能點：工作者線程的創(chuàng)建，串口數(shù)據(jù)接收和處理操作的封裝 2.3.2 任務(wù)描述 1.在前一個情景中完成了接收和處理單一串口設(shè)備數(shù)據(jù)的工作任務(wù)。實際應(yīng)用中，上位機需要連續(xù)地接收和處理下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)，而且在等待和接收數(shù)據(jù)的時候，用戶界面不能停止響應(yīng)。接收數(shù)據(jù)和響應(yīng)用戶輸入這兩個工作在宏觀上是同時進行的，為了滿足該需求，必須采用多線程模式來進行程序設(shè)計。 2.該教學(xué)情景通

2、過“在工作者線程中接收HSDZC電能綜合測試儀的”“HSDZC電能綜合測試儀數(shù)據(jù)接收和處理操作的封裝”這兩個實施步驟達到連續(xù)接收接收單個串口設(shè)備（下位機）數(shù)據(jù)的目的。,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,2.3.3 相關(guān)知識 1 多線程技術(shù)概述 (1)線程的概念 Windows是一個搶占式多任務(wù)操作系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)核中提供了對多線程的支持，多線程技術(shù)可以讓應(yīng)用程序在一個耗時的操作中能夠及時對用戶操作進行響應(yīng)，并且從宏觀上達到多個任務(wù)“齊頭并進”的目的 進程是應(yīng)用程序的一個運行例程，是應(yīng)用程序的一次動態(tài)執(zhí)行過程。線程是被系統(tǒng)獨立調(diào)度和分派的基本單位，線程自己不擁有系統(tǒng)資源，但它可與同屬一個

3、進程的其它線程共享進程所擁有的全部資源。每個進程至少需要一個執(zhí)行線程，由系統(tǒng)自動創(chuàng)建，程序設(shè)計者可以根據(jù)需要創(chuàng)建其它線程。由于多個線程共享進程中的全局變量和系統(tǒng)資源，所以線程間的切換比較容易，通信也比較方便。,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,(2).NET Framework對多線程的支持 .NET平臺庫提供了Thread類對線程進行處理，該類包含在System.Threading命名空間中，程序中需要包含語句“using System.Threading;”。編程人員可以通過創(chuàng)建一個Thread類的實例來創(chuàng)建一個線程，并通過Thread類提供的方法對線程進行管理。Thread類的

4、常用屬性和方法如下表： 表2.3.1 Thread類的常用屬性和方法,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,2 委托的概念和使用方法 C#中的委托的作用相當(dāng)于C/C+中的函數(shù)指針，函數(shù)指針是一個函數(shù)的入口地址。必修使用函數(shù)指針的場合是：程序員A編寫了函數(shù)f，該函數(shù)中需要執(zhí)行另外一個參數(shù)和返回值已經(jīng)確定，但名字暫時不能確定函數(shù)，所以給函數(shù)設(shè)置一個函數(shù)指針類型的形式參數(shù)；當(dāng)程序員B使用函數(shù)f時，定義函數(shù)g，并把g的入口地址作為實際參數(shù)傳遞給函數(shù)f，這樣就可以在f中執(zhí)行函數(shù)g了。 線程的啟動是使用函數(shù)指針的一個典型例子，在啟動線程之前，先要給操作系統(tǒng)指明線程啟動后執(zhí)行哪一函數(shù)中包含的代碼，這時

5、就要把函數(shù)的指針傳遞給創(chuàng)建線程的函數(shù)。 回調(diào)(完成后通知)是使用函數(shù)指針的另外一個典型例子。如程序員A編寫了負責(zé)接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的函數(shù)f1，程序員B編寫了負責(zé)處理數(shù)據(jù)的函數(shù)f2，那么就可以把f2的函數(shù)指針作為參數(shù)傳遞給函數(shù)f1，當(dāng)f1接收數(shù)據(jù)完畢后，自動調(diào)用f2。所以回調(diào)的特點是：站在程序員B的角度看，函數(shù)由自己編寫，但是不由自己調(diào)用，且不知道什么時候被調(diào)用（因為網(wǎng)絡(luò)速度有快有慢），函數(shù)編寫者要做的就是把函數(shù)指針傳遞出去。,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,定義委托的關(guān)鍵字是delegate，它是從System.Delegate類派生出來的。例如： delegate int SomeDe

6、legate(int p1,string p2); / int p1和string p2是被引用函數(shù)的參數(shù)類型和名稱。其中參數(shù)類型和參數(shù)的個數(shù)必須和被引用函數(shù)的類型與個數(shù)一致。 3 創(chuàng)建和啟動線程 一個線程必須和一個方法的入口（委托）關(guān)聯(lián)起來，線程啟動后，自動從該入口進入，執(zhí)行函數(shù)體中包含的內(nèi)容。 C#應(yīng)用程序啟動時，自動創(chuàng)建主線程，并進入Main方法開始執(zhí)行，其它線程需要在程序里自己定義和啟動。由于委托可以代表一個方法的入口 ,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,所以創(chuàng)建線程實例時只需要在Thread類的構(gòu)造方法里傳入一個委托實例即可，這個委托名叫ThreadStart，已經(jīng)在線程命

7、名空間中定義作了定義： public delegate void ThreadStart(); 所以創(chuàng)建線程方式如下： ThreadStart functionEntrance = new ThreadStart(threadFunction); Thread t = new Thread(functionEntrance); 在委托ThreadStart的構(gòu)造方法里面?zhèn)魅氲氖欠椒?，這個方法可以是靜態(tài)方法，也可以是某個對象的方法。線程對象創(chuàng)建后，我們就可以調(diào)用其Start方法開始線程的執(zhí)行了。,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,我們可以在主線程里建立線程，也可以在線程里再創(chuàng)建線程，

8、線程啟動后會自動執(zhí)行委托實例代表的方法，線程執(zhí)行完后會自動銷毀并釋放其占用的資源。 在一個新線程中執(zhí)行帶參數(shù)的函數(shù)，操作步驟如下： 定義線程函數(shù)： private void paramThreadFunction(object param) /函數(shù)體 用ParameterizedThreadStart委托封裝線程函數(shù)：,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,ParameterizedThreadStart functionEntrance = new ParameterizedThreadStart(paramThreadFunction); 創(chuàng)建線程對象 hread t = new T

9、hread(functionEntrance); 啟動線程 t.Start(param); /param為傳入的參數(shù)，可以是任意對象,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,4 線程同步技術(shù) 多線程應(yīng)用程序中的的線程啟動后，執(zhí)行的先后順序是無法預(yù)知的，通常情況下多個線程會交錯執(zhí)行。但是在多個線程訪問共享數(shù)據(jù)的情況下，必須對數(shù)據(jù)的訪問進行同步。好比有兩路車，一路自東向西，一路自南向北運行，在一個十字路口交匯。在十字路口以外的區(qū)域可以看著私有區(qū)域，而十字路口則是共有區(qū)域，需要紅綠燈或交警來維護秩序，即確保在同一時刻只能有一路車進入，而另外一路車必須等待，這就是現(xiàn)實生活中的線程同步問題。,學(xué)習(xí)情

10、景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,下面的例子展示了一個讀數(shù)據(jù)線程和一個寫數(shù)據(jù)線程同時運行的情況： private static int a = new int5; static void Main(string args) Thread t1 = new Thread(new ThreadStart(threadFun1); Thread t2 = new Thread(new ThreadStart(threadFun2); t1.Start(); t2.Start(); private static void threadFun1() /線程函數(shù)1 while (true),學(xué)習(xí)情景2

11、.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收, for (int i = 0; i a.Length; i+) /將數(shù)組元素全部輸出 System.Console.Write(ai + ); System.Console.WriteLine(); private static void threadFun2() /線程函數(shù)2 int flag = 0,i; while (true) for (i = 0; i a.Length; i+) /將數(shù)組元素全部改為0或1 ai = flag; flag = flag = 0 ? 1 : 0; ,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,下面采用Monitor類

12、來進行線程同步，使數(shù)據(jù)讀、寫操作稱為原子操作。即達到這樣的目的：在線程2寫數(shù)據(jù)時，線程1等待，在線程1讀數(shù)據(jù)時，線程2等待，使每次輸出的結(jié)果全部為0或全部為1。 當(dāng)調(diào)用Monitor類的Enter(Object obj)方法時,會獲取對象obj的獨占權(quán),直到調(diào)用Exit(Object obj)方法時,才會釋放對obj的獨占權(quán)。注意調(diào)用Enter方法的次數(shù)要和,調(diào)用Exit方法的次數(shù)相等。Monitor類還提供了TryEnter方法,該方法嘗試獲取obj對象的獨占權(quán),當(dāng)獲取獨占權(quán)失敗時,將返回false。實現(xiàn)代碼如下：,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,private static i

13、nt a = new int5; private static object obj = new object(); static void Main(string args) Thread t1 = new Thread(new ThreadStart(threadFun1); Thread t2 = new Thread(new ThreadStart(threadFun2); t1.Start(); t2.Start(); private static void threadFun1() while (true) Monitor.Enter(obj); /線程1進入臨界區(qū)活動時，線程2等

14、待 for (int i = 0; i a.Length; i+) System.Console.Write(ai + ); System.Console.WriteLine();,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,Monitor.Exit(obj); /線程1出臨界區(qū)后，線程2才可以進入 private static void threadFun2() int flag = 0,i; while (true) Monitor.Enter(obj); /線程2進入臨界區(qū)活動時，線程1等待 for (i = 0; i a.Length; i+) ai = flag; flag = fl

15、ag = 0 ? 1 : 0; Monitor.Exit(obj); /線程2出臨界區(qū)后，線程1才可以進入 ,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,5 工作者線程向用戶界面線程傳遞數(shù)據(jù) 用戶界面線程簡稱UI線程，其主要特點是能響應(yīng)Windows消息，主要負責(zé)接收用戶輸入和向用戶展示程序執(zhí)行結(jié)果。為了及時響應(yīng)用戶的輸入，UI線程中不應(yīng)執(zhí)行費時的運算，更不能被阻塞。 工作者線程一般用于在后臺進行費時運算或和慢速設(shè)備打交道，這種線程不響應(yīng)Windows消息。在通信程序中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收耗費的時間不確定。為了在通信過程中能夠響應(yīng)用戶輸入，通常在建立一個或多個工作者線程，在后臺完成通信任務(wù)。 工

16、作者線程向運行在UI線程中的用戶控件傳遞數(shù)據(jù)時，不能直接對對控件的屬性和方法進行調(diào)用，而要先定義一個委托，再用控件的Invoke方法，切換到UI線程去執(zhí)行委托所指向的函數(shù)，來更新控件顯示的內(nèi)容。 在下面的程序中，工作線程每循環(huán)完一次，就更新UI線程中的控件屬性，向用戶報告當(dāng)前步驟。程序界面和后臺代碼如下：,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,圖2.3.1 工作者線程向UI線程傳遞數(shù)據(jù) private void btnRun_Click(object sender, EventArgs e) ThreadStart funEntrance = new ThreadStart(thread

17、Fun); Thread t = new Thread(funEntrance); t.IsBackground = true; t.Start(); ,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,private delegate void crossThreadDelegate(int i); /定義委托 void showValue(int i) lblReport.Text = 執(zhí)行到了第 + i + 步; private void threadFun() crossThreadDelegate cdt = new crossThreadDelegate(showValue); for

18、(int i = 1; i = 5; i+) /Invoke方法將當(dāng)前線程切換到UI線程，再執(zhí)行委托指向的函數(shù) this.Invoke(cdt, i); /this指代當(dāng)前窗口 Thread.Sleep(1000); /延時，便于看清中間執(zhí)行過程 ,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,下面的程序在工作者線程的線程函數(shù)中直接使用lblReport.Text屬性，而沒有用Invoke方法： private void threadFun() for (int i = 1; i = 5; i+) lblReport.Text = 執(zhí)行到了第 + i + 步; Thread.Sleep(1000

19、); 在運行時會捕獲到圖2.4.2所示的異常：,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,圖2.3.2 后臺線程向UI線程傳遞數(shù)據(jù),學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,使用委托和Invoke方法會使代碼復(fù)雜度增加，在實際應(yīng)用中，可以用匿名委托來簡化代碼： private delegate void crossThreadDelegate(); private void threadFun() for (int i = 1; i = 5; i+) crossThreadDelegate cdt = delegate /匿名委托（無函數(shù)名showValue） lblReport.Text

20、 = 執(zhí)行到了第 + i + 步; ; this.Invoke(cdt); /指向委托指向的函數(shù) Thread.Sleep(1000); ,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,2.3.4 任務(wù)實施 1 在工作者線程中接收HSDZC電能綜合測試儀的數(shù)據(jù) （1）設(shè)計界面 在轉(zhuǎn)機性能測試中需要讀取HSDZC電能綜合測試儀采集到的3個數(shù)值：輸入功率、輸出功率和功率因數(shù),以測試電機效率，此時測試儀的是選擇測量方式1。程序設(shè)計時的界面如圖2.3.3，用3個文本框分別顯示輸入功率、輸出功率和功率因數(shù)，控件名稱分別為txtSrgl、txtScgl和txtGlys。 該界面是整個鉆機性能測試系統(tǒng)主界面的

21、一部份，為了便于觀察和調(diào)試，在界面的右邊以十六進制形式顯示收到的數(shù)據(jù)幀，程序運行時的界面如圖2.3.4所示。,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,圖2.3.3 電機效率測試程序設(shè)計時界面,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,圖2.3.4 電機效率測試程序運行時界面,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,private void btnStart_Click(object sender, EventArgs e) /啟動工作者線程 ThreadStart funEntrance = new ThreadStart(threadFun); Thread t = new Thr

22、ead(funEntrance); t.IsBackground = true; stop = false; t.Start(); （3）編寫在工作者線程中執(zhí)行的函數(shù) 點擊“開始讀數(shù)”按鈕后時，啟動一個工作者線程，線程執(zhí)行函數(shù)threadFun中的內(nèi)容。threadFun在執(zhí)行時先打開串口，設(shè)置超時毫秒數(shù)，并創(chuàng)建數(shù)據(jù)接收隊列recvBuf，然后就進入while循環(huán)開始不斷地接收串口數(shù)據(jù)并進行分析和顯示。while循環(huán)受到bool型變量stop的控制，可以通過設(shè)置該變量值為true，來結(jié)束線程中的循環(huán)。其中用到recvBuf對象和getBlock方法，它們的用法在前一節(jié)已經(jīng)進行了詳細說明。,學(xué)習(xí)

23、情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,private void threadFun() SerialPort sp = new SerialPort(COM1, 9600, Parity.None, 8, StopBits.One); try sp.Open(); catch (Exception ex) MessageBox.Show(打開串口失敗！); return; byte first; byte bRecv; /HSDZC在工作方式1時，數(shù)據(jù)幀長度為46字節(jié),學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,private void threadFun() SerialPort sp =

24、 new SerialPort(COM1, 9600, Parity.None, 8, StopBits.One); try sp.Open(); catch (Exception ex) MessageBox.Show(打開串口失??！); return; byte first; byte bRecv; /HSDZC在工作方式1時，數(shù)據(jù)幀長度為46字節(jié),學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,（4）編寫顯示數(shù)據(jù)到控件的showData方法 在線程函數(shù)中調(diào)用了showData方法顯示數(shù)據(jù)，代碼如下： private delegate void crossThreadDelegate(); p

25、rivate void showData(byte b) float v; /跨線程訪問UI控件 crossThreadDelegate cdt = delegate /匿名委托 if (b = null) /沒有接收到數(shù)據(jù) txtSrgl.Text = Error; txtScgl.Text = Error; txtGlys.Text = Error; else ,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,/以十六進制形式在txtData文本框中顯示數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容 txtData.Text = CCheck.BinaryToHexString(b); /對浮點數(shù)進行解碼（用HexToFloa

26、t函數(shù)），并分別顯示在3個文本框中 v = HexToFloat(b4 + 9 * 3, b4 + 9 * 3 + 1, b4 + 9 * 3 + 2); txtSrgl.Text = v.ToString(0.00); /輸入功率(第9個數(shù)值) v = HexToFloat(b4 + 12 * 3, b4 + 12 * 3 + 1, b4 + 12 * 3 + 2); txtScgl.Text = v.ToString(0.00); /輸出功率（第12個數(shù)值） v = HexToFloat(b4 + 6 * 3, b4 + 6 * 3 + 1, b4 + 6 * 3 + 2); txtGly

27、s.Text = v.ToString(0.00); /功率因數(shù)（第6個數(shù)值） ; this.Invoke(cdt); ,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,（5）編寫代碼處理“停止讀數(shù)”按鈕的點擊事件： private void btnStop_Click(object sender, EventArgs e) stop = true; /設(shè)置標志，使線程中的循環(huán)自然結(jié)束 2 HSDZC電能綜合測試儀數(shù)據(jù)接收和處理操作的封裝 在前一個步驟中已經(jīng)實現(xiàn)了串口數(shù)據(jù)接收、解析和顯示的功能，并且在工作者線程中接收和處理數(shù)據(jù)，在此期間前臺的UI線程能響應(yīng)用戶輸入。從功能上看，已經(jīng)能夠滿足用戶需求

28、，但是從代碼的組織和管理角度看，該程序還有比較大問題：負責(zé)接收和處理數(shù)據(jù)的代碼和負責(zé)顯示的代碼混雜在一起，不能重復(fù)使用，若增加一個同類設(shè)備，很多代碼還要重寫，而且給查看和調(diào)試程序也帶來較大困難。下面用面向?qū)ο蠓椒▽Τ绦蜻M行重新設(shè)計。,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,（1）創(chuàng)建抽象類CPassiveCOMHelper,public class CPassiveCOMHelper public int readTimeOut,recvBufLength; /讀取超時毫秒數(shù)，接收隊列大小 protected CRecvBuf recvBuf; /接收隊列 private bool sto

29、pFlag; /線程循環(huán)結(jié)束標志 private string portName; /串口名稱 private int baudRate, dataBits; /波特率，數(shù)據(jù)位數(shù) private StopBits stopBits; /停止位 private byte dataBlock; /一個完整的數(shù)據(jù)幀,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,public delegate void DataReceivedHandler(); public event DataReceivedHandler DataReceived; /數(shù)據(jù)接收完畢事件 /構(gòu)造方法 public CPassive

30、COMHelper(string portName, int baudRate, int dataBits, StopBits stopBits) this.portName = portName; this.baudRate = baudRate; this.dataBits = dataBits; this.stopBits = stopBits; this.readTimeOut = 500;/默認500毫秒讀取超時 this.recvBufLength = 100;/默認接收隊列大小為100字節(jié) ,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,public void start() /啟

31、動線程 Thread t = new Thread(new ThreadStart(threadFun); t.IsBackground = true; stopFlag = false; t.Start(); public void stop() /停止線程循環(huán)，自然終止線程 stopFlag = true; protected virtual byte getBlock(List li) /需要在派生類中重寫該方法,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,public byte getData() byte tmp = null; Monitor.Enter(this); /線程同步：

32、在進行g(shù)et操作時，不準進行set操作 if (dataBlock != null) tmp = new bytedataBlock.Length; dataBlock.CopyTo(tmp, 0); Monitor.Exit(this); return tmp; private void setData(byte tmp),Monitor.Enter(this); /線程同步：在進行set操作時，不準進行g(shù)et操作 dataBlock = tmp; Monitor.Exit(this); private void threadFun() recvBuf = new CRecvBuf(recv

33、BufLength); SerialPort sp = new SerialPort(portName, baudRate, Parity.None, dataBits, stopBits); try if (sp.IsOpen) sp.Close(); sp.Open(); ,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,catch return; byte first; byte bRecv; while (!stopFlag) try sp.ReadTimeout = readTimeOut; first = (byte)sp.ReadByte(); if (sp.BytesToRead + 1 recvBuf.maxLength) /堆積數(shù)據(jù)太多,學(xué)習(xí)情景2.3 單個串口設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)接收,（2）派生出具體類CHSDZC 在CPassiveCOMHelper類中實現(xiàn)了串口打開、關(guān)閉、線程創(chuàng)建、數(shù)據(jù)接收等基礎(chǔ)操作，其中有一個