3年前 (2015-08-06)  软件开发 |   抢沙发  3220 
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在工业控制中,工控机(一般都基于Windows平台)经常需要与智能仪表通过串口进行通信。串口通信方便易行,应用广泛。

一般情况下,工控机和各智能仪表通过RS485总线进行通信。RS485的通信方式是半双工的,只能由作为主节点的工控PC机依次轮询网络上的各智能控制单元子节点。每次通信都是由PC机通过串口向智能控制单元发布命令,智能控制单元在接收到正确的命令后作出应答。

C/C++串口通信原理及读写与操作

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。本文我们只介绍API串口通信部分。

串口的操作可以有两种操作方式:同步操作方式和重叠操作方式(又称为异步操作方式)。

同步操作时,API函数会阻塞直到操作完成以后才能返回(在多线程方式中,虽然不会阻塞主线程,但是仍然会阻塞监听线程);而重叠操作方式,API函数会立即返回,操作在后台进行,避免线程的阻塞。

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

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:

C++代码

  • 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

 

重叠I/O打开串口的示例代码:

C++代码

 

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结构包含了串口的各项参数设置,下面仅介绍几个该结构常用的变量:

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
ON 5STOPBITS   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:

 

除了在BCD中的设置外,程序一般还需要设置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:

 

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:

 

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

我们使用ReadFile和WriteFile读写串口,下面是两个函数的声明:

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:

 

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:一种方法是用象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,后面将演示说明。
下面我们先简单说一下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:

 

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:

 

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:

 

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;
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:

 

异步写串口的示例代码:

 

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:

 

 

 

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