自定义Qt组件-通讯模块(P1)

通讯模块Communicator

通讯模块是整个项目设计中位于最底层的模块，用于处理与串口或网络等设备的通讯，所有设备的通讯通过CommManager类完成，上层软件设计时需要根据comm模块（主要是CommManager）提供的接口访问设备。通讯组件实现类的重要类是 QIODevice，所有通讯过程中发送/接收的字符都经过QIODevice发送到设备中。

通讯模块的测试和API 文档基本完成，生成文档可使用 qdoc 工具，将代码中的注释转换成网页格式的文档，文档图如下：

Communicator层中提供了Comm 命名空间简化使用该库的过程，要使用该库文件，可以参考下列方式：

1. 通讯设备：串口或网络

磁罗盘通过USB-RS485转接线连接到PC上位机，从而实现的上下位机通讯，由于半双工的RS485无法同时收发数据，若在下位机发送数据时，上位机向下位机发送指令，将会导致RS485上电平异常，通讯失败，上位机接收数据时出现乱码（由于下位机程序设计的原因，不能同时收发数据，所以此时下位机一般不会接收数据）。为了找到下位机发送语句的间隔而找到合适的发送指令时机，通讯代码使用多线程+阻塞式的方法监听串口，在通讯接口空闲时上位机才发送数据（实际上RS485是通过FT232r芯片转接到USB上连接电脑，所以其实是通过USB端口监听RS485串口）。

若设备的连接方式支持全双工模式，可以设置串口的工作模式为全双工，全双工模式和半双工的模式区别在于：全双工在接收到管理器的查询指令后将会立即将指令写入到设备中；半双工则会监听设备，在线路空闲时发送指令。

为实现远程操控下位机，通讯设备中新增加了网络通讯模式。网络通讯模式与串口通讯模式差别不大，主要差别在于网络通讯要指定端口，而串口通讯要指定波特率停止位等。

2. 控制器CommManager

项目中串口控制器的类为CommManager，该类的作用有：

聚合协议和串口；
处理来自协议的查询请求；
根据协议的部分参数进行请求；
接收来自串口的数据并分发给各个协议；
对串口/网络子线程进行控制。

关于CommManager的更多具体用法，可以参考API文档。

上位机串口通信若采用信号/槽类型的异步接收数据方式在主线程中接收并处理数据，不需要让通讯类在一个独立的子线程中运行，但半双工模式下需要通过阻塞方式实时监听串口，因此需要通过一个串口线程控制器来操作子线程的运行和停止。

接收、发送数据及字符串拼接的工作在子线程中执行。

图 1 CommManager的部分接口

CommManager的主要目的是隐藏具体的多线程实现，统一了编程接口，使得其它类可以直接调用控制器中相应的方法，而不需要通过连接多线程对象中的信号与槽（即信号槽的方式）调用通讯器的方法。因为Qt的多线程机制，在控制器中采用了反射或信号等方式，通过CommManager隐藏多线程的实现，简化其它部分的代码。

注：Qt的Thread多线程机制与其它编程语言的多线程稍有不同，不同之处在于QThread更确切的来说应该是一个线程控制器而非一个具体的线程。而将QObject子类对象通过moveToThread方法放置到子线程中后，若直接调用该对象的foo方法，则foo方法将会在主线程中执行，为了避免这种情况的发生，需要使用Qt的信号槽机制，利用信号来调用foo槽函数，使槽函数在所在的子线程中执行，即不会阻塞UI线程。

串口通讯需要有相应的协议来实现，通过CommManager对象的addProtocol接口添加协议，CommManager将会自动绑定信号和槽。接收到来自下位机的数据（以行为单位）时，调用接口AbstractProtocol实现类的processData回调函数对接收到的数据进行处理。接收到来自协议的请求时，从协议队列中选取一个协议并取出命令，将命令的内容发送到下位机。

CommManager计算指令的执行时间（从上位机Qt程序中发送到串口至下位机响应的时间），根据AbstractProtocol实现类的 cmdExecuteTime值决定命令的重发次数。管理器在接收到协议发送的信号后，会优先查询高优先级协议，并获取高优先级的AbstractProtocol类中的待查讯指令进行查询。默认情况下，最先注册到CommManager中的协议有最高的优先级，当该协议中的指令全部查询结束后才会查询次优先级协议中的指令。

3. 通讯接口及部分实现类

项目中所有的串口/网络通讯设备都继承自AbstractComm接口并实现AbstractComm中定义的纯虚方法。AbstractComm定义了与CommManager之间的接口。

图 2 AbstractCom 的部分接口

若要调用 AbstractCom 的实现类中的方法，应当采用信号槽机制或这QMetaObject::invokeMethod 方法来调用，这样才可以保证AbstractCom实现类中的槽函数全部运行在子线程中。对于AbstractCom实现类中的标志位和查询指令可以直接通过函数调用来修改（需要加锁保证线程安全）。

ComFullDuplex 通讯器实现类为工作于全双工模式下的串口，通过连接 QSerialPort 实例的 readyRead 信号和自身的onRead槽函数对串口发送的信息进行处理。使用 readyRead 信号进行响应，异步执行数据处理，尽管这个类的方法可以在主线程中执行，但为了统一控制器和串口之间的接口，仍将其放在子线程中执行。在这个实现类中上位机不会控制发送指令的时间（认为该类是工作于全双工模式，上位机和下位机可以同时发送信息，不会导致信道电平异常产生乱码），而是在接收到来自用户的操作后立即向下位机发送指令，但若在RS485串口中错误使用该类，将可能导致在半双工模式下的RS485总线中产生乱码无法正常收到回复。若单片机使用RS485半双工连接上位机时，建议不要选择该类发送串口数据（若上位机不需要发送指令，则不会导致乱码）。而单片机使用RS232全双工连接时可以使用该模式。

4. 代码及文档

文档：https://brifuture.github.io/qt_components/basic_communicator/docs/

代码：https://github.com/BriFuture/qt_components/tree/master/basic_communicator