多線程火工品壓藥機控制程序設計初探

　　引言

　　在工業(yè)控制系統(tǒng)中使用的各種工控軟件往往要同時執(zhí)行多任務，如數(shù)據(jù)采集、控制信息實時計算和輸出、現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)和狀態(tài)的實時顯示、各種報表的實時顯示和打印、各種鍵盤命令的實時讀取和響應以及數(shù)據(jù)通信等等。這些任務雖然在實時性上要求有些不同，但本質上都是并行進行的，因此要求開發(fā)的控制系統(tǒng)能實現(xiàn)實時多任務。

　　火工品在運載火箭和導彈武器中的應用極為廣泛，火工品壓藥機主要是用于火工品生產過程中壓藥工藝的專用自動化壓藥設備，本文結合一種精密氣動壓力機控制軟件的開發(fā)，分析在工控軟件中如何利用Windows提供的多線程技術。

　　多線程概述

　　作為一個多線程的操作系統(tǒng)，Windows實行的是搶先式多任務。在Windows環(huán)境中，每個正在運行的程序都建立一個進程，每個進程至少由一個線程組成，每個進程可以同時執(zhí)行多個線程。線程與進程是兩個相關的概念，進程是資源分配的單元，線程是系統(tǒng)調度的單元。在一個進程中存在的多個線程間要進行同步、通信，以實現(xiàn)復雜的邏輯功能，如共享內存映射文件、訪問共享數(shù)據(jù)以及使用同一消息隊列等。系統(tǒng)創(chuàng)建好進程后，實際上就啟動了主線程，主線程把程序的啟動點提供給Windows系統(tǒng)，而后按消息觸發(fā)隊列順序執(zhí)行。主線程與進程同時存在，同時消失。在多線程執(zhí)行中系統(tǒng)會根據(jù)線程的優(yōu)先級和同步要求分配時間單元用于執(zhí)行多個線程,這樣實現(xiàn)了多任務分時占有CPU ,可在一個段時間內并行完成多個任務,達到實時性要求,大大提高了系統(tǒng)資源的利用率,有利于用戶按要求完成復雜的任務。系統(tǒng)的處理器調度算法基于以下兩點:①基于線程優(yōu)先級的可搶占調度算法。②同優(yōu)先級線程采用按時間片輪轉的算法。CPU調度進程方式如圖1示。

　　多線程操作

　　線程的啟動

　　創(chuàng)建一個用戶界面線程，首先要從類CwinThread產生一個派生類，同時必須使用DECLARE_DYNCREATE和IMPLEMENT_DYNCREATE來聲明和實現(xiàn)這個CwinThread派生類。 而后，根據(jù)需要重載該派生類的一些成員函數(shù)如ExitInstance()、InitInstance()、OnIdle()、PreTranslateMessage()等，最后啟動該用戶界面線程，調用AfxBeginThread()函數(shù)的一個版本：

     CWinThread* AfxBeginThread( CRuntimeClass* pThreadClass,

      int nPriority = THREAD_PRIORITY_NORMAL,

       UINT nStackSize = 0,

        DWORD dwCreateFlags = 0,

        LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttrs = NULL )；

　　其中第一個參數(shù)為指向定義的用戶界面線程類指針變量，第二個參數(shù)為線程的優(yōu)先級，第三個參數(shù)為線程所對應的堆棧大小，第四個參數(shù)為線程創(chuàng)建時的附加標志，缺省為正常狀態(tài)，如為CREATE_SUSPENDED則線程啟動后為掛起狀態(tài)。

　　對于工作線程來說，啟動一個線程，首先需要編寫一個希望與應用程序的其余部分并行運行的函數(shù)如exec()，接著定義一個指向CwinThread對象的指針變量*pThread,調用AfxBeginThread(exec,param,priority)函數(shù)，返回值付給pThread變量的同時一并啟動該線程來執(zhí)行上面的exec()函數(shù)，其中exec是線程要運行的函數(shù)的名字，也是上面所說的控制函數(shù)的名字，param是準備傳送給線程函數(shù)exec的任意32位值，priority則是定義該線程的優(yōu)先級別，它是預定義的常數(shù)。

　　線程的終止

　　終止線程有三種途徑，線程可以在自身內部調用AfxEndThread()來終止自身的運行；可以在線程的外部調用BOOL TerminateThread( HANDLE hThread, DWORD dwExitCode )來強行終止一個線程的運行，然后調用CloseHandle()函數(shù)釋放線程所占用的堆棧；第三種方法是改變全局變量，使線程的執(zhí)行函數(shù)返回，則該線程終止。

　　線程的同步

　　使用多線程開發(fā)用戶程序時，經常需要協(xié)調兩種或多種動作，這種過程就稱作同步(Synchronization)。需要利用同步的原因是：(1)當兩個或多個線程需要訪問一個共享的資源，而此資源一次只能被一個線程所使用； (2)當一個線程正在等候由另一個線程所引起的事件。

　　Win32操作系統(tǒng)提供了幾種同步對象允許線程來同步它們之間的行為。這些同步對象包括臨界區(qū)(criticalse ction)、互斥量(mutexe)、信號量(semaphore)和事件(event)等。

　　(1)臨界區(qū)

　　臨界區(qū)是一小段代碼，它要求在執(zhí)行以前取得對某些共享數(shù)據(jù)的獨占訪問權。

　　(2)互斥量

　　互斥和臨界區(qū)非常相似，只不過它們可被用來同步多個進程間的數(shù)據(jù)訪問。

　　(3)信號量

　　信號量內核對象用于系統(tǒng)的資源計數(shù)。它們?yōu)榫€程提供了查詢可用資源數(shù)目的能力，對某個線程如果有一個或者多個資源可用，可用資源計數(shù)就減1。只有在資源計數(shù)加1之后，系統(tǒng)才會讓別的進程訪問此資源。

　　(4)事件

　　事件對象是同步對象的最基本形式，它與互斥量和信號量大不相同?；コ饬亢托盘柫客ǔＳ脕砜刂茖?shù)據(jù)的訪問，但事件是用來發(fā)信號以表示某一操作己經完成。

　　壓藥機控制系統(tǒng)多任務的實現(xiàn)

　　線程的分配

　　由于軟件的工作比較復雜，軟件設計時采用了4個線程完成。除了第一個主界面線程外還有執(zhí)行線程、顯示線程、A/D轉換監(jiān)視線程。

　　1.主線程的主要功能：

　　(1)創(chuàng)建兩個定時器，一個為50ms Windows定時器，其功能是向顯示線程發(fā)送消息，驅動顯示線程，另一個為20ms多媒體定時器，功能是向執(zhí)行線程發(fā)送消息，驅動執(zhí)行線程。

　　(2)主線程產生一個用戶線程，用于監(jiān)視A/D轉換事件。

　　(3)接收用戶從鍵盤輸入的信息，執(zhí)行相應過程。

　　主線程流程圖如圖2所示。

　　2.執(zhí)行線程負責執(zhí)行自動壓藥，及停止自動壓藥等功能，本程序的大部分工作由執(zhí)行線程完成。執(zhí)行線程流程圖如圖3所示。

　　3.參數(shù)實時顯示線程負責實時顯示壓力值、保壓時間以及錯誤信息。

　　4. A/D轉換監(jiān)視線程用于監(jiān)視A/D轉換。

　　執(zhí)行線程的實現(xiàn)

　　如圖3所示，在本系統(tǒng)軟件中執(zhí)行線程完成系統(tǒng)的大部分工作，執(zhí)行線程函數(shù)的定義如下：

　　LRESUL
　　CJmqyView::OnTimerProc(WPARAM wParam, LPARAM lParam)
　　{
　　if( !bfPCL812PG ) //數(shù)據(jù)采集卡不存在
　　return( 1 );
　　InputFromPCL812PG(); //數(shù)據(jù)采集卡PCL-812PG 輸入操作
　　if(inBit.start && !inBit0.start )//啟動按鈕按下
　　OnStart();
　　else if( inBit.stop && !inBit0.stop ) //停止按鈕按下
　　OnStop();
　　execTask();             //執(zhí)行任務
　　OutputToPCL812PG();   //數(shù)據(jù)采集卡PCL-812PG 輸出操作
　　}　　

　　某壓藥機控制系統(tǒng)有豐富的人機界面來接受用戶的鍵盤以及鼠標操作，系統(tǒng)正是通過這些操作來完成整個控制系統(tǒng)的任務。當控制系統(tǒng)啟動時，首先建立起主線程接受用戶的鍵盤、鼠標操作，完成用戶的工藝參數(shù)的輸入，啟動A/D轉化監(jiān)視線程，同時主線程也創(chuàng)建兩個定時器用以驅動執(zhí)行線程、顯示線程。主線程相應定時器發(fā)送的定時時間到達消息，并分別發(fā)送消息驅動執(zhí)行線程或顯示線程。顯示線程將壓藥機的實時壓力、及保壓時間呈現(xiàn)在用戶界面上，方便用戶的下一步操作。

　　結語

　　在傳統(tǒng)的DOS環(huán)境下開發(fā)的控制系統(tǒng)軟件為了實現(xiàn)并行多任務，采用基于中斷的調度和循環(huán)輪流的方式，CPU的利用率較低，而在Windows環(huán)境下則可以利用Windows提供的多線程技術，既可以方便的實現(xiàn)上述并行多任務，又充分利用了CPU時間。實踐證明，采用多線程技術開發(fā)的某型壓藥機控制系統(tǒng)軟件，較好的保證了系統(tǒng)在多任務環(huán)境下的實時性和穩(wěn)定性。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)的日益復雜，系統(tǒng)在同一時間所要執(zhí)行的任務不斷增加，多線程編程技術將會越來越明顯的體現(xiàn)出它的優(yōu)點。

　　參考文獻：

　　1.  葛景國，陳立功，倪純珍,焊縫偏差實時監(jiān)控軟件的開發(fā)[J],算機工程,2004(4)

　　2.  何其昌,Windows下工控軟件的研制[J].制造業(yè)自動化，2002(24)

　　3.  鄭連清，劉榮，王玨，劉其坤,火工品壓藥工藝方法的改進[J],火工品，1999(1)

　　4.  廖春蘭,基于多線程的實時測控系統(tǒng)研究[J].機電工程技術,2006(35)

　　5.  邱仲潘，柯渝，謝燕華等,Visual C++6從入門到精通[M],電子工業(yè)出版社，2005