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博学广问,自律静思

C/C++串口通信原理及读写与操作

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。 20100216043335-563490202 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

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:

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:

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

我们使用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:

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; 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
);

@极客人
极客人 commented at 2018-08-19

这个问题我没遇到过,建议你百度一下,我看见有很多人遇到这个问题

@Try It!
Try It! commented at 2018-08-19

Loaded 'APP01.EXE', no matching symbolic information found. Loaded 'C:\Windows\SysWOW64\kernel32.dll', no matching symbolic information found. Loaded 'C:\Windows\SysWOW64\KernelBase.dll', no matching symbolic information found. Loaded 'C:\Windows\SysWOW64\apphelp.dll', no matching symbolic information found. 这些错误是什么意思啊?

@极客人
极客人 commented at 2018-08-19

这些是库里面的,不需要自己写的,你加上windows.h看看效果。

@Try It!
Try It! commented at 2018-08-19

好的,谢谢,我还想问在用CreateFile,Handle等这些时,Windows.h够吗?还是我得重建头文件去定义这些函数。

@极客人
极客人 commented at 2018-08-19

还有你有个变量hcom写成了hCom

@极客人
极客人 commented at 2018-08-19

这个太细节了,建议你看看代码中引用的类型,百度一下需要引用哪些头文件。肯定是要include一些东西的。

@Try It!
Try It! commented at 2018-08-19

我是不是缺少头文件还是?课对应的头文件我不会写,请教一下。 还有你看我的读写功能是对的吗?我的头文件只有 #include #include #include 这三个。是不是应该加点什么?

@Try It!
Try It! commented at 2018-08-19

我是在vc++下编译的,错误c:\users\chongzhou\desktop\uart_terminal.cpp(62) : error C2065: 'hCom' : undeclared identifier

@极客人
极客人 commented at 2018-08-18

请问有提示报什么错误吗?然后你的编译环境是什么(操作系统和C/C++编译器是什么),这个代码应该在Windows下才能跑得通,比如里面用到的handle是Windows下的句柄。如果在Linux操作系统下应该是编译不过的。

@zc106
zc106 commented at 2018-08-18

我按照上述方法编写的读写文件,为啥不能编译,我是不是缺少什么? 你能帮我看看需要改什么或者帮我调试一下吗?十分感谢 #include #include #include using namespace std; int main() { HANDLE hcom; hcom = CreateFile("COM5",GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,0,NULL,OPEN_EXISTING ,FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,NULL); if (hcom == INVALID_HANDLE_VALUE) { fprintf(stderr, "打开串口失败!\n"); exit(0); } SetupComm(hcom,1024,1024); DCB dcb; GetCommState(hcom,&dcb); dcb.BaudRate = 115200; dcb.ByteSize = 8; dcb.Parity = ODDPARITY; dcb.StopBits = ONESTOPBIT; SetCommState(hcom,&dcb); ifstream fileinput; fileinput.open("e:\\input.txt"); double data[100]; for(int i=0;i>data[i]; fileinput.close(); /* ifstream fin("data.txt"); vector vec; while (fin) { int idata; fin >> idata; vec.pushback(idata); }*/ DWORD dwWrittenLen = 0; int k=0; for (;;) { if(!WriteFile(hcom,data,8,&dwWrittenLen,NULL)) { fprintf(stderr, "发送数据失败!\n"); } k++; printf("往串口发送数据成功!第%d次\n" ,k); Sleep(10*1000); //10s发送一次 } int 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; fstream fs; fs.open("e:\\output.txt"); for(int i=0;i<100;i++) fs<<str[i]<<','; fs.close(); return 0; }