多線程火工品壓藥機(jī)控制程序設(shè)計(jì)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(shí)執(zhí)行多任務(wù)，如數(shù)據(jù)采集、控制信息實(shí)時(shí)計(jì)算和輸出、現(xiàn)場(chǎng)各類數(shù)據(jù)和狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示、各種報(bào)表的實(shí)時(shí)顯示和打印、各種鍵盤命令的實(shí)時(shí)讀取和響應(yīng)以及數(shù)據(jù)通信等等。這些任務(wù)雖然在實(shí)時(shí)性上要求有些不同，但本質(zhì)上都是并行進(jìn)行的，因此要求開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)。

　　火工品在運(yùn)載火箭和導(dǎo)彈武器中的應(yīng)用極為廣泛，火工品壓藥機(jī)主要是用于火工品生產(chǎn)過(guò)程中壓藥工藝的專用自動(dòng)化壓藥設(shè)備，本文結(jié)合一種精密氣動(dòng)壓力機(jī)控制軟件的開(kāi)發(fā)，分析在工控軟件中如何利用Windows提供的多線程技術(shù)。

　　多線程概述

　　作為一個(gè)多線程的操作系統(tǒng)，Windows實(shí)行的是搶先式多任務(wù)。在Windows環(huán)境中，每個(gè)正在運(yùn)行的程序都建立一個(gè)進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程至少由一個(gè)線程組成，每個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)線程。線程與進(jìn)程是兩個(gè)相關(guān)的概念，進(jìn)程是資源分配的單元，線程是系統(tǒng)調(diào)度的單元。在一個(gè)進(jìn)程中存在的多個(gè)線程間要進(jìn)行同步、通信，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，如共享內(nèi)存映射文件、訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)以及使用同一消息隊(duì)列等。系統(tǒng)創(chuàng)建好進(jìn)程后，實(shí)際上就啟動(dòng)了主線程，主線程把程序的啟動(dòng)點(diǎn)提供給Windows系統(tǒng)，而后按消息觸發(fā)隊(duì)列順序執(zhí)行。主線程與進(jìn)程同時(shí)存在，同時(shí)消失。在多線程執(zhí)行中系統(tǒng)會(huì)根據(jù)線程的優(yōu)先級(jí)和同步要求分配時(shí)間單元用于執(zhí)行多個(gè)線程,這樣實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)分時(shí)占有CPU ,可在一個(gè)段時(shí)間內(nèi)并行完成多個(gè)任務(wù),達(dá)到實(shí)時(shí)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(fù)雜的任務(wù)。系統(tǒng)的處理器調(diào)度算法基于以下兩點(diǎn):①基于線程優(yōu)先級(jí)的可搶占調(diào)度算法。②同優(yōu)先級(jí)線程采用按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的算法。CPU調(diào)度進(jìn)程方式如圖1示。

　　多線程操作

　　線程的啟動(dòng)

　　創(chuàng)建一個(gè)用戶界面線程，首先要從類CwinThread產(chǎn)生一個(gè)派生類，同時(shí)必須使用DECLARE_DYNCREATE和IMPLEMENT_DYNCREATE來(lái)聲明和實(shí)現(xiàn)這個(gè)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(dòng)該用戶界面線程，調(diào)用AfxBeginThread()函數(shù)的一個(gè)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(gè)參數(shù)為指向定義的用戶界面線程類指針變量，第二個(gè)參數(shù)為線程的優(yōu)先級(jí)，第三個(gè)參數(shù)為線程所對(duì)應(yīng)的堆棧大小，第四個(gè)參數(shù)為線程創(chuàng)建時(shí)的附加標(biāo)志，缺省為正常狀態(tài)，如為CREATE_SUSPENDED則線程啟動(dòng)后為掛起狀態(tài)。

　　對(duì)于工作線程來(lái)說(shuō)，啟動(dòng)一個(gè)線程，首先需要編寫一個(gè)希望與應(yīng)用程序的其余部分并行運(yùn)行的函數(shù)如exec()，接著定義一個(gè)指向CwinThread對(duì)象的指針變量*pThread,調(diào)用AfxBeginThread(exec,param,priority)函數(shù)，返回值付給pThread變量的同時(shí)一并啟動(dòng)該線程來(lái)執(zhí)行上面的exec()函數(shù)，其中exec是線程要運(yùn)行的函數(shù)的名字，也是上面所說(shuō)的控制函數(shù)的名字，param是準(zhǔn)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(jí)別，它是預(yù)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(nèi)部調(diào)用AfxEndThread()來(lái)終止自身的運(yùn)行；可以在線程的外部調(diào)用BOOL TerminateThread( HANDLE hThread, DWORD dwExitCode )來(lái)強(qiáng)行終止一個(gè)線程的運(yùn)行，然后調(diào)用CloseHandle()函數(shù)釋放線程所占用的堆棧；第三種方法是改變?nèi)肿兞?，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(kāi)發(fā)用戶程序時(shí)，經(jīng)常需要協(xié)調(diào)兩種或多種動(dòng)作，這種過(guò)程就稱作同步(Synchronization)。需要利用同步的原因是：(1)當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)線程需要訪問(wèn)一個(gè)共享的資源，而此資源一次只能被一個(gè)線程所使用； (2)當(dāng)一個(gè)線程正在等候由另一個(gè)線程所引起的事件。

　　Win32操作系統(tǒng)提供了幾種同步對(duì)象允許線程來(lái)同步它們之間的行為。這些同步對(duì)象包括臨界區(qū)(criticalse ction)、互斥量(mutexe)、信號(hào)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(duì)某些共享數(shù)據(jù)的獨(dú)占訪問(wèn)權(quán)。

　　(2)互斥量

　　互斥和臨界區(qū)非常相似，只不過(guò)它們可被用來(lái)同步多個(gè)進(jìn)程間的數(shù)據(jù)訪問(wèn)。

　　(3)信號(hào)量

　　信號(hào)量?jī)?nèi)核對(duì)象用于系統(tǒng)的資源計(jì)數(shù)。它們?yōu)榫€程提供了查詢可用資源數(shù)目的能力，對(duì)某個(gè)線程如果有一個(gè)或者多個(gè)資源可用，可用資源計(jì)數(shù)就減1。只有在資源計(jì)數(shù)加1之后，系統(tǒng)才會(huì)讓別的進(jìn)程訪問(wèn)此資源。

　　(4)事件

　　事件對(duì)象是同步對(duì)象的最基本形式，它與互斥量和信號(hào)量大不相同?；コ饬亢托盘?hào)量通常用來(lái)控制對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，但事件是用來(lái)發(fā)信號(hào)以表示某一操作己經(jīng)完成。

　　壓藥機(jī)控制系統(tǒng)多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)

　　線程的分配

　　由于軟件的工作比較復(fù)雜，軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用了4個(gè)線程完成。除了第一個(gè)主界面線程外還有執(zhí)行線程、顯示線程、A/D轉(zhuǎn)換監(jiān)視線程。

　　1.主線程的主要功能：

　　(1)創(chuàng)建兩個(gè)定時(shí)器，一個(gè)為50ms Windows定時(shí)器，其功能是向顯示線程發(fā)送消息，驅(qū)動(dòng)顯示線程，另一個(gè)為20ms多媒體定時(shí)器，功能是向執(zhí)行線程發(fā)送消息，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行線程。

　　(2)主線程產(chǎn)生一個(gè)用戶線程，用于監(jiān)視A/D轉(zhuǎn)換事件。

　　(3)接收用戶從鍵盤輸入的信息，執(zhí)行相應(yīng)過(guò)程。

　　主線程流程圖如圖2所示。

　　2.執(zhí)行線程負(fù)責(zé)執(zhí)行自動(dòng)壓藥，及停止自動(dòng)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(shí)時(shí)顯示線程負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示壓力值、保壓時(shí)間以及錯(cuò)誤信息。

　　4. A/D轉(zhuǎn)換監(jiān)視線程用于監(jiān)視A/D轉(zhuǎn)換。

　　執(zhí)行線程的實(shí)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(dòng)按鈕按下
　　OnStart();
　　else if( inBit.stop && !inBit0.stop ) //停止按鈕按下
　　OnStop();
　　execTask();             //執(zhí)行任務(wù)
　　OutputToPCL812PG();   //數(shù)據(jù)采集卡PCL-812PG 輸出操作
　　}　　

　　某壓藥機(jī)控制系統(tǒng)有豐富的人機(jī)界面來(lái)接受用戶的鍵盤以及鼠標(biāo)操作，系統(tǒng)正是通過(guò)這些操作來(lái)完成整個(gè)控制系統(tǒng)的任務(wù)。當(dāng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先建立起主線程接受用戶的鍵盤、鼠標(biāo)操作，完成用戶的工藝參數(shù)的輸入，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)化監(jiān)視線程，同時(shí)主線程也創(chuàng)建兩個(gè)定時(shí)器用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行線程、顯示線程。主線程相應(yīng)定時(shí)器發(fā)送的定時(shí)時(shí)間到達(dá)消息，并分別發(fā)送消息驅(qū)動(dòng)執(zhí)行線程或顯示線程。顯示線程將壓藥機(jī)的實(shí)時(shí)壓力、及保壓時(shí)間呈現(xiàn)在用戶界面上，方便用戶的下一步操作。

　　結(jié)語(yǔ)

　　在傳統(tǒng)的DOS環(huán)境下開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)軟件為了實(shí)現(xiàn)并行多任務(wù)，采用基于中斷的調(diào)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(shù)，既可以方便的實(shí)現(xiàn)上述并行多任務(wù)，又充分利用了CPU時(shí)間。實(shí)踐證明，采用多線程技術(shù)開(kāi)發(fā)的某型壓藥機(jī)控制系統(tǒng)軟件，較好的保證了系統(tǒng)在多任務(wù)環(huán)境下的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)的日益復(fù)雜，系統(tǒng)在同一時(shí)間所要執(zhí)行的任務(wù)不斷增加，多線程編程技術(shù)將會(huì)越來(lái)越明顯的體現(xiàn)出它的優(yōu)點(diǎn)。

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