串口通信

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串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议，大多数计算机包含两个基于RS232的串口，串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议

串口按位发送和接受字节，很简单并且能够实现远距离通信

串口用于ASCII码字符的传输，通信使用3根线完成，分别是底线，发送，接受

串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上界接受数据

串口通信最重要的参数是 波特率、 数据位、 停止位  和  奇偶校验

1、 波特率：这是一个衡量符号传输速率的参数。指的是信号被调制以后在单位时间内的变化，即单位时间内载波参数变化的次数

2、 数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据往往不会是8位的，标准的值是6、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情

                     况。 

3、 停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时

                     钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。

4、奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，

                           保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位为1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。

 

在Win32下，可以使用两种编程方式实现串口通信，其一是使用ActiveX控件，这种方法程序简单，但欠灵活。其二是调用Windows的API函数，这种方法可以清楚地掌握串口通信的机制，并且自由灵活。

无论那种操作方式，一般都通过四个步骤来完成：

（1） 打开串口

（2） 配置串口

（3） 读写串口

（4） 关闭串口

 

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1、打开串口

Win32系统把文件的概念进行了扩展。无论是文件、通信设备、命名管道、邮件槽、磁盘、还是控制台，都是用API函数CreateFile来打开或创建的。该函数的原型为：

HANDLE CreateFile( LPCTSTR lpFileName, DWORD dwDesiredAccess, DWORD dwShareMode, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes, DWORD dwCreationDistribution, DWORD dwFlagsAndAttributes, HANDLE hTemplateFile);

• lpFileName：将要打开的串口逻辑名，如"COM1"；

• dwDesiredAccess：指定串口访问的类型，可以是读取、写入或二者并列；

• dwShareMode：指定共享属性，由于串口不能共享，该参数必须置为0；

• lpSecurityAttributes：引用安全性属性结构，缺省值为NULL；

• dwCreationDistribution：创建标志，对串口操作该参数必须置为OPEN_EXISTING；

• dwFlagsAndAttributes：属性描述，用于指定该串口是否进行异步操作，该值为FILE_FLAG_OVERLAPPED，表示使用异步的I/O；该值为0，表示同步I/O操作；

• hTemplateFile：对串口而言该参数必须置为NULL。

同步I/O方式打开串口的示例代码：C++代码

HANDLE hCom; //全局变量，串口句柄
hCom=CreateFile("COM1",//COM1口
GENERIC_READ|GENERIC_WRITE, //允许读和写
0, //独占方式
NULL,
OPEN_EXISTING, //打开而不是创建
0, //同步方式
NULL);
if(hCom==(HANDLE)-1)
{
AfxMessageBox("打开COM失败!");
return FALSE;
}
return TRUE;

重叠I/O打开串口的示例代码 C++代码

HANDLE hCom; //全局变量，串口句柄
hCom =CreateFile("COM1", //COM1口
GENERIC_READ|GENERIC_WRITE, //允许读和写
0, //独占方式
NULL,
OPEN_EXISTING, //打开而不是创建
FILE_ATTRIBUTE_NORMAL|FILE_FLAG_OVERLAPPED, //重叠方式
NULL);
if(hCom ==INVALID_HANDLE_VALUE)
{
AfxMessageBox("打开COM失败!");
return FALSE;
}
return TRUE;

2、配置串口

在打开通讯设备句柄后，常常需要对串口进行一些初始化配置工作。这需要通过一个DCB结构来进行。DCB结构包含了诸如波特率、数据位数、奇偶校验和停止位数等信息。

在查询或配置串口的属性时，都要用DCB结构来作为缓冲区。

一般用CreateFile打开串口后，可以调用GetCommState函数来获取串口的初始配置。要修改串口的配置，应该先修改DCB结构，然后再调用SetCommState函数设置串口。

DCB
Device Control Block

串口通讯中的DCB结构定义了串口通讯设备的控制配置

typedef struct _DCB{ ………

DWORD BaudRate;//波特率，指定通信设备的传输速率。这个成员可以是实际波特率值或者下面的常量值之一：  CBR_110，CBR_300，CBR_600，CBR_1200，CBR_2400，CBR_4800，CBR_9600，CBR_19200， CBR_38400， CBR_56000， CBR_57600， CBR_115200， CBR_128000， CBR_256000， CBR_14400

DWORD fParity; // 指定奇偶校验使能。若此成员为1，允许奇偶校验检查 …

BYTE ByteSize; // 通信字节位数，4—8

BYTE Parity; //指定奇偶校验方法。此成员可以有下列值： EVENPARITY 偶校验 NOPARITY 无校验 MARKPARITY 标记校验 ODDPARITY 奇校验

BYTE StopBits; //指定停止位的位数。此成员可以有下列值： ONESTOPBIT 1位停止位 TWOSTOPBITS 2位停止位 ON5STOPBITS   1.5位停止位

GetCommState函数可以获得COM口的设备控制块，从而获得相关参数：

BOOL GetCommState(
HANDLE hFile, //标识通讯端口的句柄
LPDCB lpDCB //指向一个设备控制块（DCB结构）的指针 );

SetCommState函数设置COM口的设备控制块：

BOOL SetCommState( HANDLE hFile, LPDCB lpDCB );

除了设置外，一般还需要设置I/O缓冲区的大小和超时。Windows用I/O缓冲区来暂存串口输入和输出的数据。如果通信的速率较高，则应该设置较大的缓冲区。

调用SetupComm函数可以设置串行口的输入和输出缓冲区的大小。

BOOL SetupComm( HANDLE hFile, // 通信设备的句柄

DWORD dwInQueue, // 输入缓冲区的大小（字节数）

DWORD dwOutQueue // 输出缓冲区的大小（字节数） );

在用ReadFile和WriteFile读写串行口时，需要考虑超时问题。

超时的作用是在指定的时间内没有读入或发送指定数量的字符，ReadFile或WriteFile的操作仍然会结束。

要查询当前的超时设置应调用GetCommTimeouts函数，该函数会填充一个COMMTIMEOUTS结构。调用SetCommTimeouts可以用某一个COMMTIMEOUTS结构的内容来设置超时。

读写串口的超时有两种：间隔超时和总超时。

　　　　　　　　　　　间隔超时是指在接收时两个字符之间的最大时延。

　　　　　　　　　　　总超时是指读写操作总共花费的最大时间。

写操作只支持总超时，而读操作两种超时均支持。用COMMTIMEOUTS结构可以规定读写操作的超时。

COMMTIMEOUTS结构的定义为：

typedef struct _COMMTIMEOUTS {
DWORD ReadIntervalTimeout; //读间隔超时
DWORD ReadTotalTimeoutMultiplier; //读时间系数
DWORD ReadTotalTimeoutConstant; //读时间常量
DWORD WriteTotalTimeoutMultiplier; // 写时间系数
DWORD WriteTotalTimeoutConstant; //写时间常量
} COMMTIMEOUTS,*LPCOMMTIMEOUTS;

COMMTIMEOUTS结构的成员都以毫秒为单位

总超时的计算公式是：总超时＝时间系数×要求读/写的字符数＋时间常量

例如，要读入10个字符，那么读操作的总超时的计算公式为：

　　    读总超时＝ReadTotalTimeoutMultiplier×10＋ReadTotalTimeoutConstant

可以看出：间隔超时和总超时的设置是不相关的，这可以方便通信程序灵活地设置各种超时。

如果所有写超时参数均为0，那么就不使用写超时。如果ReadIntervalTimeout为0，那么就不使用读间隔超时。如果ReadTotalTimeoutMultiplier 和 ReadTotalTimeoutConstant 都为0，则不使用读总超时。

如果读间隔超时被设置成MAXDWORD并且读时间系数和读时间常量都为0，那么在读一次输入缓冲区的内容后读操作就立即返回，而不管是否读入了要求的字符。

在用重叠方式读写串口时，虽然ReadFile和WriteFile在完成操作以前就可能返回，但超时仍然是起作用的。在这种情况下，超时规定的是操作的完成时间，而不是ReadFile和WriteFile的返回时间。

配置串口的示例代码：

SetupComm(hCom,1024,1024); //输入缓冲区和输出缓冲区的大小都是1024
COMMTIMEOUTS TimeOuts; //设定读超时
TimeOuts.ReadIntervalTimeout=1000;
TimeOuts.ReadTotalTimeoutMultiplier=500;
TimeOuts.ReadTotalTimeoutConstant=5000; //设定写超时
TimeOuts.WriteTotalTimeoutMultiplier=500;
TimeOuts.WriteTotalTimeoutConstant=2000;
SetCommTimeouts(hCom,&TimeOuts); //设置超时
DCB dcb;
GetCommState(hCom,&dcb);
dcb.BaudRate=9600; //波特率为9600
dcb.ByteSize=8; //每个字节有8位
dcb.Parity=NOPARITY; //无奇偶校验位
dcb.StopBits=TWOSTOPBITS; //两个停止位
SetCommState(hCom,&dcb);
PurgeComm(hCom,PURGE_TXCLEAR|PURGE_RXCLEAR);

 在读写串口之前，还要用PurgeComm()函数清空缓冲区，该函数原型：

BOOL PurgeComm( HANDLE hFile, //串口句柄

DWORD dwFlags // 需要完成的操作 );

参数dwFlags指定要完成的操作，可以是下列值的组合：

PURGE_TXABORT 中断所有写操作并立即返回，即使写操作还没有完成。

PURGE_RXABORT 中断所有读操作并立即返回，即使读操作还没有完成。

PURGE_TXCLEAR 清除输出缓冲区

PURGE_RXCLEAR 清除输入缓冲区

3、读写串口

使用ReadFile和WriteFile读写串口，下面是两个函数的声明：

BOOL ReadFile( HANDLE hFile, //串口的句柄
// 读入的数据存储的地址，
// 即读入的数据将存储在以该指针的值为首地址的一片内存区
LPVOID lpBuffer,
// 要读入的数据的字节数
DWORD nNumberOfBytesToRead,
// 指向一个DWORD数值，该数值返回读操作实际读入的字节数
LPDWORD lpNumberOfBytesRead,
// 重叠操作时，该参数指向一个OVERLAPPED结构，同步操作时，该参数为NULL。
LPOVERLAPPED lpOverlapped );

BOOL WriteFile( HANDLE hFile, //串口的句柄
// 写入的数据存储的地址，
// 即以该指针的值为首地址的
LPCVOID lpBuffer,
//要写入的数据的字节数
DWORD nNumberOfBytesToWrite,
// 指向指向一个DWORD数值，该数值返回实际写入的字节数
LPDWORD lpNumberOfBytesWritten,
// 重叠操作时，该参数指向一个OVERLAPPED结构，
// 同步操作时，该参数为NULL。
LPOVERLAPPED lpOverlapped );

 

在用ReadFile和WriteFile读写串口时，既可以同步执行，也可以重叠执行。

在同步执行时，函数直到操作完成后才返回。这意味着同步执行时线程会被阻塞，从而导致效率下降。

在重叠执行时，即使操作还未完成，这两个函数也会立即返回，费时的I/O操作在后台进行。

ReadFile和WriteFile函数是同步还是异步由CreateFile函数决定，如果在调用CreateFile创建句柄时指定了FILE_FLAG_OVERLAPPED标志，那么调用ReadFile和WriteFile对该句柄进行的操作就应该是重叠的；如果未指定重叠标志，则读写操作应该是同步的。

ReadFile和WriteFile函数的同步或者异步应该和CreateFile函数相一致。

ReadFile函数只要在串口输入缓冲区中读入指定数量的字符，就算完成操作。

而WriteFile函数不但要把指定数量的字符拷入到输出缓冲区，而且要等这些字符从串行口送出去后才算完成操作。

如果操作成功，这两个函数都返回TRUE。

需要注意的是，当ReadFile和WriteFile返回FALSE时，不一定就是操作失败，线程应该调用GetLastError函数分析返回的结果。

例如，在重叠操作时如果操作还未完成函数就返回，那么函数就返回FALSE，而且GetLastError函数返回ERROR_IO_PENDING。这说明重叠操作还未完成。

 

同步方式读写串口比较简单，下面先例举同步方式读写串口的代码：

//同步读串口

char str[100];

DWORD wCount;//读取的字节数

BOOL bReadStat;

bReadStat=ReadFile(hCom,str,100,&wCount,NULL);

if(!bReadStat) { AfxMessageBox("读串口失败!"); return FALSE; } return TRUE; //同步写串口



char lpOutBuffer[100];

DWORD dwBytesWrite=100;

COMSTAT ComStat;

DWORD dwErrorFlags;

BOOL bWriteStat;

ClearCommError(hCom,&dwErrorFlags,&ComStat);

bWriteStat=WriteFile(hCom,lpOutBuffer,dwBytesWrite,& dwBytesWrite,NULL);

if(!bWriteStat) { AfxMessageBox("写串口失败!"); }

PurgeComm(hCom, PURGE_TXABORT| PURGE_RXABORT|PURGE_TXCLEAR|PURGE_RXCLEAR);

 

在重叠操作时,操作还未完成函数就返回

重叠I/O非常灵活，它也可以实现阻塞（例如我们可以设置一定要读取到一个数据才能进行到下一步操作）。

有两种方法可以等待操作完成：

　　　　　　　　　　　　　　一种方法是用WaitForSingleObject这样的等待函数来等待OVERLAPPED结构的hEvent成员；

　　　　　　　　　　　　　　另一种方法是调用GetOverlappedResult函数等待；

先简单说一下OVERLAPPED结构和GetOverlappedResult函数：

OVERLAPPED结构

OVERLAPPED结构包含了重叠I/O的一些信息，定义如下：

typedef struct _OVERLAPPED { // o

DWORD Internal;

DWORD InternalHigh;

DWORD Offset;

DWORD OffsetHigh;

HANDLE hEvent;

} OVERLAPPED;

在使用ReadFile和WriteFile重叠操作时，线程需要创建OVERLAPPED结构以供这两个函数使用。

线程通过OVERLAPPED结构获得当前的操作状态，该结构最重要的成员是hEvent。hEvent是读写事件。

当串口使用异步通讯时，函数返回时操作可能还没有完成，程序可以通过检查该事件得知是否读写完毕。

当调用ReadFile, WriteFile 函数的时候，该成员会自动被置为无信号状态；当重叠操作完成后，该成员变量会自动被置为有信号状态。

GetOverlappedResult函数

BOOL GetOverlappedResult(

HANDLE hFile, // 串口的句柄

// 指向重叠操作开始时指定的OVERLAPPED结构

LPOVERLAPPED lpOverlapped, // 指向一个32位变量，该变量的值返回实际读写操作传输的字节数。

LPDWORD lpNumberOfBytesTransferred, // 该参数用于指定函数是否一直等到重叠操作结束。 如果该参数为TRUE，函数直到操作结束才返回。 如果该参数为FALSE，函数直接返回，这时如果操作没有完成，通过调用GetLastError()函数会返回ERROR_IO_INCOMPLETE。

BOOL bWait

);

该函数返回重叠操作的结果，用来判断异步操作是否完成，它是通过判断OVERLAPPED结构中的hEvent是否被置位来实现的。

 

 

异步读串口的示例代码：

char lpInBuffer[1024];

DWORD dwBytesRead=1024;

COMSTAT ComStat;

DWORD dwErrorFlags;

OVERLAPPED m_osRead;

memset(&m_osRead,0,sizeof(OVERLAPPED));

m_osRead.hEvent=CreateEvent(NULL,TRUE,FALSE,NULL);

ClearCommError(hCom,&dwErrorFlags,&ComStat);

dwBytesRead=min(dwBytesRead,(DWORD)ComStat.cbInQue);

if(!dwBytesRead) return FALSE;

BOOL bReadStatus;

bReadStatus=ReadFile(hCom,lpInBuffer, dwBytesRead,&dwBytesRead,&m_osRead);

if(!bReadStatus)

//如果ReadFile函数返回FALSE

{

if(GetLastError()==ERROR_IO_PENDING)

//GetLastError()函数返回ERROR_IO_PENDING,表明串口正在进行读操作

{

WaitForSingleObject(m_osRead.hEvent,2000);

//使用WaitForSingleObject函数等待，直到读操作完成或延时已达到2秒钟

//当串口读操作进行完毕后，m_osRead的hEvent事件会变为有信号

PurgeComm(hCom, PURGE_TXABORT| PURGE_RXABORT|PURGE_TXCLEAR|PURGE_RXCLEAR);

return dwBytesRead;

}

return 0;

}

PurgeComm(hCom, PURGE_TXABORT| PURGE_RXABORT|PURGE_TXCLEAR|PURGE_RXCLEAR);

return dwBytesRead;

对以上代码再作简要说明：

在使用ReadFile 函数进行读操作前，应先使用ClearCommError函数清除错误。

ClearCommError函数的原型如下：

BOOL ClearCommError( HANDLE hFile,

// 串口句柄LPDWORD lpErrors, // 指向接收错误码的变量

LPCOMSTAT lpStat // 指向通讯状态缓冲区 );

该函数获得通信错误并报告串口的当前状态，同时，该函数清除串口的错误标志以便继续输入、输出操作。

参数lpStat指向一个COMSTAT结构，该结构返回串口状态信息。

COMSTAT结构 COMSTAT结构包含串口的信息，

结构定义如下：

typedef struct _COMSTAT { 
// cst 
DWORD fCtsHold : 1; // Tx waiting for CTS signal
DWORD fDsrHold : 1; // Tx waiting for DSR signal 
DWORD fRlsdHold : 1; // Tx waiting for RLSD signal 
DWORD fXoffHold : 1;// Tx waiting, XOFF char rec''d 
DWORD fXoffSent : 1;// Tx waiting, XOFF char sent 
DWORD fEof : 1; // EOF character sent 
DWORD fTxim : 1; // character waiting for Tx 
DWORD fReserved : 25; // reserved 
DWORD cbInQue; // bytes in input buffer 
DWORD cbOutQue;// bytes in output buffer
} COMSTAT, *LPCOMSTAT;

fCtsHold
如果这个成员是TRUE，传输等的CTS（清除发送）信号被发送。
fDsrHold
如果此部件是TRUE，等待传输的DSR（数据集就绪）信号被发送。
fRlsdHold
如果此部件是TRUE，传输等待RLSD（接收线信号检测）信号以被发送。
fXoffHold
如果这个成员是TRUE，传输的等待，因为收到XOFF字符。
fXoffSent
如果这个成员是TRUE，传输的等待，因为在XOFF字符发送。 （输电停止时XOFF字符被发送到一个系统，它的下一个字符作为XON，不管实际的字符。）
FEOF
如果这个成员是TRUE，文件结束符（EOF）已收到。
fTxim
如果此部件是TRUE，排队等待发送来的通信的移动设备方式的TransmitCommChar函数是一个字符。的通信装置发送这样一个字符之前，在设备的输出缓冲器的其他字符。
fReserved
保留，未使用。
cbInQue
接收的字节的串行供应商的数量，但尚未阅读的ReadFile操作。
cbOutQue
剩余可用于所有的写操作将被发送的用户数据的字节的数目。一个非重叠写入该值将为零。

本文只用到了cbInQue成员变量，该成员变量的值代表输入缓冲区的字节数。

最后用PurgeComm函数清空串口的输入输出缓冲区。

这段代码用WaitForSingleObject函数来等待OVERLAPPED结构的hEvent成员，

下面我们再演示一段调用GetOverlappedResult函数等待的

异步读串口示例代码：

char lpInBuffer[1024];
DWORD dwBytesRead=1024;
BOOL bReadStatus;
DWORD dwErrorFlags;
COMSTAT ComStat;
OVERLAPPED m_osRead;
ClearCommError(hCom,&dwErrorFlags,&ComStat);
if(!ComStat.cbInQue) return 0;
dwBytesRead=min(dwBytesRead,(DWORD)ComStat.cbInQue);
bReadStatus=ReadFile(hCom, lpInBuffer,dwBytesRead, &dwBytesRead,&m_osRead);
if(!bReadStatus) //如果ReadFile函数返回FALSE
{ if(GetLastError()==ERROR_IO_PENDING)
{ GetOverlappedResult(hCom, &m_osRead,&dwBytesRead,TRUE);
// GetOverlappedResult函数的最后一个参数设为TRUE，
//函数会一直等待，直到读操作完成或由于错误而返回。
return dwBytesRead; }
return 0; }
return dwBytesRead;

异步写串口的示例代码：

char buffer[1024];
DWORD dwBytesWritten=1024;
DWORD dwErrorFlags;
COMSTAT ComStat;
OVERLAPPED m_osWrite;
BOOL bWriteStat;
bWriteStat=WriteFile(hCom,buffer,dwBytesWritten, &dwBytesWritten,&m_OsWrite);
if(!bWriteStat)
{ if(GetLastError()==ERROR_IO_PENDING)
{ WaitForSingleObject(m_osWrite.hEvent,1000);
return dwBytesWritten; }
return 0; }
return dwBytesWritten;

 

4、关闭串口

利用API函数关闭串口非常简单，只需使用CreateFile函数返回的句柄作为参数调用CloseHandle即可：

BOOL CloseHandle(
HANDLE hObject; //handle to object to close
);