多线程火工品压药机控制程序设计初探

　　引言

　　在工业控制系统中使用的各种工控软件往往要同时执行多任务，如数据采集、控制信息实时计算和输出、现场各类数据和状态的实时显示、各种报表的实时显示和打印、各种键盘命令的实时读取和响应以及数据通信等等。这些任务虽然在实时性上要求有些不同，但本质上都是并行进行的，因此要求开发的控制系统能实现实时多任务。

　　火工品在运载火箭和导弹武器中的应用极为广泛，火工品压药机主要是用于火工品生产过程中压药工艺的专用自动化压药设备，本文结合一种精密气动压力机控制软件的开发，分析在工控软件中如何利用Windows提供的多线程技术。

　　多线程概述

　　作为一个多线程的操作系统，Windows实行的是抢先式多任务。在Windows环境中，每个正在运行的程序都建立一个进程，每个进程至少由一个线程组成，每个进程可以同时执行多个线程。线程与进程是两个相关的概念，进程是资源分配的单元，线程是系统调度的单元。在一个进程中存在的多个线程间要进行同步、通信，以实现复杂的逻辑功能，如共享内存映射文件、访问共享数据以及使用同一消息队列等。系统创建好进程后，实际上就启动了主线程，主线程把程序的启动点提供给Windows系统，而后按消息触发队列顺序执行。主线程与进程同时存在，同时消失。在多线程执行中系统会根据线程的优先级和同步要求分配时间单元用于执行多个线程,这样实现了多任务分时占有CPU ,可在一个段时间内并行完成多个任务,达到实时性要求,大大提高了系统资源的利用率,有利于用户按要求完成复杂的任务。系统的处理器调度算法基于以下两点:①基于线程优先级的可抢占调度算法。②同优先级线程采用按时间片轮转的算法。CPU调度进程方式如图1示。

　　多线程操作

　　线程的启动

　　创建一个用户界面线程，首先要从类CwinThread产生一个派生类，同时必须使用DECLARE_DYNCREATE和IMPLEMENT_DYNCREATE来声明和实现这个CwinThread派生类。 而后，根据需要重载该派生类的一些成员函数如ExitInstance()、InitInstance()、OnIdle()、PreTranslateMessage()等，最后启动该用户界面线程，调用AfxBeginThread()函数的一个版本：

     CWinThread* AfxBeginThread( CRuntimeClass* pThreadClass,

      int nPriority = THREAD_PRIORITY_NORMAL,

       UINT nStackSize = 0,

        DWORD dwCreateFlags = 0,

        LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttrs = NULL )；

　　其中第一个参数为指向定义的用户界面线程类指针变量，第二个参数为线程的优先级，第三个参数为线程所对应的堆栈大小，第四个参数为线程创建时的附加标志，缺省为正常状态，如为CREATE_SUSPENDED则线程启动后为挂起状态。

　　对于工作线程来说，启动一个线程，首先需要编写一个希望与应用程序的其余部分并行运行的函数如exec()，接着定义一个指向CwinThread对象的指针变量*pThread,调用AfxBeginThread(exec,param,priority)函数，返回值付给pThread变量的同时一并启动该线程来执行上面的exec()函数，其中exec是线程要运行的函数的名字，也是上面所说的控制函数的名字，param是准备传送给线程函数exec的任意32位值，priority则是定义该线程的优先级别，它是预定义的常数。

　　线程的终止

　　终止线程有三种途径，线程可以在自身内部调用AfxEndThread()来终止自身的运行；可以在线程的外部调用BOOL TerminateThread( HANDLE hThread, DWORD dwExitCode )来强行终止一个线程的运行，然后调用CloseHandle()函数释放线程所占用的堆栈；第三种方法是改变全局变量，使线程的执行函数返回，则该线程终止。

　　线程的同步

　　使用多线程开发用户程序时，经常需要协调两种或多种动作，这种过程就称作同步(Synchronization)。需要利用同步的原因是：(1)当两个或多个线程需要访问一个共享的资源，而此资源一次只能被一个线程所使用； (2)当一个线程正在等候由另一个线程所引起的事件。

　　Win32操作系统提供了几种同步对象允许线程来同步它们之间的行为。这些同步对象包括临界区(criticalse ction)、互斥量(mutexe)、信号量(semaphore)和事件(event)等。

　　(1)临界区

　　临界区是一小段代码，它要求在执行以前取得对某些共享数据的独占访问权。

　　(2)互斥量

　　互斥和临界区非常相似，只不过它们可被用来同步多个进程间的数据访问。

　　(3)信号量

　　信号量内核对象用于系统的资源计数。它们为线程提供了查询可用资源数目的能力，对某个线程如果有一个或者多个资源可用，可用资源计数就减1。只有在资源计数加1之后，系统才会让别的进程访问此资源。

　　(4)事件

　　事件对象是同步对象的最基本形式，它与互斥量和信号量大不相同。互斥量和信号量通常用来控制对数据的访问，但事件是用来发信号以表示某一操作己经完成。

　　压药机控制系统多任务的实现

　　线程的分配

　　由于软件的工作比较复杂，软件设计时采用了4个线程完成。除了第一个主界面线程外还有执行线程、显示线程、A/D转换监视线程。

　　1.主线程的主要功能：

　　(1)创建两个定时器，一个为50ms Windows定时器，其功能是向显示线程发送消息，驱动显示线程，另一个为20ms多媒体定时器，功能是向执行线程发送消息，驱动执行线程。

　　(2)主线程产生一个用户线程，用于监视A/D转换事件。

　　(3)接收用户从键盘输入的信息，执行相应过程。

　　主线程流程图如图2所示。

　　2.执行线程负责执行自动压药，及停止自动压药等功能，本程序的大部分工作由执行线程完成。执行线程流程图如图3所示。

　　3.参数实时显示线程负责实时显示压力值、保压时间以及错误信息。

　　4. A/D转换监视线程用于监视A/D转换。

　　执行线程的实现

　　如图3所示，在本系统软件中执行线程完成系统的大部分工作，执行线程函数的定义如下：

　　LRESUL
　　CJmqyView::OnTimerProc(WPARAM wParam, LPARAM lParam)
　　{
　　if( !bfPCL812PG ) //数据采集卡不存在
　　return( 1 );
　　InputFromPCL812PG(); //数据采集卡PCL-812PG 输入操作
　　if(inBit.start && !inBit0.start )//启动按钮按下
　　OnStart();
　　else if( inBit.stop && !inBit0.stop ) //停止按钮按下
　　OnStop();
　　execTask();             //执行任务
　　OutputToPCL812PG();   //数据采集卡PCL-812PG 输出操作
　　}　　

　　某压药机控制系统有丰富的人机界面来接受用户的键盘以及鼠标操作，系统正是通过这些操作来完成整个控制系统的任务。当控制系统启动时，首先建立起主线程接受用户的键盘、鼠标操作，完成用户的工艺参数的输入，启动A/D转化监视线程，同时主线程也创建两个定时器用以驱动执行线程、显示线程。主线程相应定时器发送的定时时间到达消息，并分别发送消息驱动执行线程或显示线程。显示线程将压药机的实时压力、及保压时间呈现在用户界面上，方便用户的下一步操作。

　　结语

　　在传统的DOS环境下开发的控制系统软件为了实现并行多任务，采用基于中断的调度和循环轮流的方式，CPU的利用率较低，而在Windows环境下则可以利用Windows提供的多线程技术，既可以方便的实现上述并行多任务，又充分利用了CPU时间。实践证明，采用多线程技术开发的某型压药机控制系统软件，较好的保证了系统在多任务环境下的实时性和稳定性。随着工业控制系统的日益复杂，系统在同一时间所要执行的任务不断增加，多线程编程技术将会越来越明显的体现出它的优点。

　　参考文献：

　　1.  葛景国，陈立功，倪纯珍,焊缝偏差实时监控软件的开发[J],算机工程,2004(4)

　　2.  何其昌,Windows下工控软件的研制[J].制造业自动化，2002(24)

　　3.  郑连清，刘荣，王珏，刘其坤,火工品压药工艺方法的改进[J],火工品，1999(1)

　　4.  廖春兰,基于多线程的实时测控系统研究[J].机电工程技术,2006(35)

　　5.  邱仲潘，柯渝，谢燕华等,Visual C++6从入门到精通[M],电子工业出版社，2005