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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。
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：
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：
| 1 | HANDLE CreateFile( LPCTSTR lpFileName, DWORD dwDesiredAccess, DWORD dwShareMode, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes, DWORD dwCreationDistribution, DWORD dwFlagsAndAttributes, HANDLE hTemplateFile); |
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 | 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; |
C++代码
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 | 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; |
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：
| 1 2 3 4 5 | 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：
| 1 2 3 4 5 6 7 | 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。
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | 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
我们使用ReadFile和WriteFile读写串口，下面是两个函数的声明：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 | 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：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 | //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：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | 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。
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 | 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; |
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：
| 1 2 3 4 5 | 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
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 | 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; |
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | 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; |
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：
| 1 2 3 | BOOL CloseHandle( HANDLE hObject; //handle to object to close ); |
