在工業控制中,工控機(一般都基于Windows平臺)經常需要與智能儀表通過串口進行通信。串口通信方便易行,應用廣泛。
一般情況下,工控機和各智能儀表通過RS485總線進行通信。RS485的通信方式是半雙工的,只能由作為主節點的工控PC機依次輪詢網絡上的各智能控制單元子節點。每次通信都是由PC機通過串口向智能控制單元發布命令,智能控制單元在接收到正確的命令后作出應答。

  在Win32下,可以使用兩種編程方式實現串口通信,其一是使用ActiveX控件,這種方法程序簡單,但欠靈活。其二是調用Windows的API函數,這種方法可以清楚地掌握串口通信的機制,并且自由靈活。本文我們只介紹API串口通信部分。

  串口的操作可以有兩種操作方式:同步操作方式和重疊操作方式(又稱為異步操作方式)。同步操作時,API函數會阻塞直到操作完成以后才能返回(在多線程方式中,雖然不會阻塞主線程,但是仍然會阻塞監聽線程);而重疊操作方式,API函數會立即返回,操作在后臺進行,避免線程的阻塞。

       無論那種操作方式,一般都通過四個步驟來完成:

       (1) 打開串口
       (2) 配置串口
       (3) 讀寫串口
       (4) 關閉串口

       1、打開串口


Win32系統把文件的概念進行了擴展。無論是文件、通信設備、命名管道、郵件槽、磁盤、還是控制臺,都是用API函數CreateFile來打開或創建的。該函數的原型為:

C++代碼
  1. HANDLE CreateFile( LPCTSTR lpFileName, DWORD dwDesiredAccess, DWORD dwShareMode, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes, DWORD dwCreationDistribution, DWORD dwFlagsAndAttributes, HANDLE hTemplateFile);    

       lpFileName:將要打開的串口邏輯名,如“COM1”;
       dwDesiredAccess:指定串口訪問的類型,可以是讀取、寫入或二者并列;
       dwShareMode:指定共享屬性,由于串口不能共享,該參數必須置為0;
       lpSecurityAttributes:引用安全性屬性結構,缺省值為NULL;
       dwCreationDistribution:創建標志,對串口操作該參數必須置為OPEN_EXISTING;
       dwFlagsAndAttributes:屬性描述,用于指定該串口是否進行異步操作,該值為FILE_FLAG_OVERLAPPED,表示使用異步的I/O;該值為0,表示同步I/O操作;
       hTemplateFile:對串口而言該參數必須置為NULL。

       同步I/O方式打開串口的示例代碼:

C++代碼
  1. HANDLE hCom; //全局變量,串口句柄   
  2. hCom=CreateFile("COM1",//COM1口  
  3.  GENERIC_READ|GENERIC_WRITE, //允許讀和寫  
  4.  0, //獨占方式  
  5.  NULL,  
  6.  OPEN_EXISTING, //打開而不是創建  
  7.  0, //同步方式  
  8.  NULL);   
  9. if(hCom==(HANDLE)-1)   
  10. {  
  11.    AfxMessageBox("打開COM失敗!");  
  12.    return FALSE;   
  13. }  
  14. return TRUE;    

       重疊I/O打開串口的示例代碼:

C++代碼
  1. HANDLE hCom; //全局變量,串口句柄     
  2. hCom =CreateFile("COM1"//COM1口    
  3.  GENERIC_READ|GENERIC_WRITE, //允許讀和寫    
  4.  0, //獨占方式    
  5.  NULL,    
  6.  OPEN_EXISTING, //打開而不是創建     
  7.  FILE_ATTRIBUTE_NORMAL|FILE_FLAG_OVERLAPPED, //重疊方式    
  8.  NULL);     
  9. if(hCom ==INVALID_HANDLE_VALUE)     
  10. {     
  11.    AfxMessageBox("打開COM失敗!");     
  12.    return FALSE;     
  13. }     
  14. return TRUE;  

       2、配置串口

       在打開通訊設備句柄后,常常需要對串口進行一些初始化配置工作。這需要通過一個DCB結構來進行。DCB結構包含了諸如波特率、數據位數、奇偶校驗和停止位數等信息。在查詢或配置串口的屬性時,都要用DCB結構來作為緩沖區。

       一般用CreateFile打開串口后,可以調用GetCommState函數來獲取串口的初始配置。要修改串口的配置,應該先修改DCB結構,然后再調用SetCommState函數設置串口。
DCB結構包含了串口的各項參數設置,下面僅介紹幾個該結構常用的變量:

typedef struct _DCB{ ……… //波特率,指定通信設備的傳輸速率。這個成員可以是實際波特率值或者下面的常量值之一: DWORD BaudRate; 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; // 指定奇偶校驗使能。若此成員為1,允許奇偶校驗檢查 … BYTE ByteSize; // 通信字節位數,4—8 BYTE Parity; //指定奇偶校驗方法。此成員可以有下列值: EVENPARITY 偶校驗 NOPARITY 無校驗 MARKPARITY 標記校驗 ODDPARITY 奇校驗 BYTE StopBits; //指定停止位的位數。此成員可以有下列值: ONESTOPBIT 1位停止位 TWOSTOPBITS 2位停止位
ON 5STOPBITS   1.5位停止位
                                                                                                                                                                      
GetCommState函數可以獲得COM口的設備控制塊,從而獲得相關參數:
BOOL GetCommState( HANDLE hFile, //標識通訊端口的句柄 LPDCB lpDCB //指向一個設備控制塊(DCB結構)的指針 ); SetCommState函數設置COM口的設備控制塊: BOOL SetCommState( HANDLE hFile, LPDCB lpDCB ); 
除了在BCD中的設置外,程序一般還需要設置I/O緩沖區的大小和超時。Windows用I/O緩沖區來暫存串口輸入和輸出的數據。如果通信的速率較高,則應該設置較大的緩沖區。調用SetupComm函數可以設置串行口的輸入和輸出緩沖區的大小。
BOOL SetupComm( HANDLE hFile, // 通信設備的句柄 DWORD dwInQueue, // 輸入緩沖區的大小(字節數) DWORD dwOutQueue // 輸出緩沖區的大小(字節數) ); 
在用ReadFile和WriteFile讀寫串行口時,需要考慮超時問題。超時的作用是在指定的時間內沒有讀入或發送指定數量的字符,ReadFile或WriteFile的操作仍然會結束。
要查詢當前的超時設置應調用GetCommTimeouts函數,該函數會填充一個COMMTIMEOUTS結構。調用SetCommTimeouts可以用某一個COMMTIMEOUTS結構的內容來設置超時。
讀寫串口的超時有兩種:間隔超時和總超時。間隔超時是指在接收時兩個字符之間的最大時延。總超時是指讀寫操作總共花費的最大時間。寫操作只支持總超時,而讀操作兩種超時均支持。用COMMTIMEOUTS結構可以規定讀寫操作的超時。
COMMTIMEOUTS結構的定義為:
typedef struct _COMMTIMEOUTS { DWORD ReadIntervalTimeout; //讀間隔超時 DWORD ReadTotalTimeoutMultiplier; //讀時間系數 DWORD ReadTotalTimeoutConstant; //讀時間常量 DWORD WriteTotalTimeoutMultiplier; // 寫時間系數 DWORD WriteTotalTimeoutConstant; //寫時間常量 } COMMTIMEOUTS,*LPCOMMTIMEOUTS; 
COMMTIMEOUTS結構的成員都以毫秒為單位。總超時的計算公式是:
總超時=時間系數×要求讀/寫的字符數+時間常量
例如,要讀入10個字符,那么讀操作的總超時的計算公式為:
讀總超時=ReadTotalTimeoutMultiplier×10+ReadTotalTimeoutConstant
可以看出:間隔超時和總超時的設置是不相關的,這可以方便通信程序靈活地設置各種超時。

如果所有寫超時參數均為0,那么就不使用寫超時。如果ReadIntervalTimeout為0,那么就不使用讀間隔超時。如果ReadTotalTimeoutMultiplier 和 ReadTotalTimeoutConstant 都為0,則不使用讀總超時。如果讀間隔超時被設置成MAXDWORD并且讀時間系數和讀時間常量都為0,那么在讀一次輸入緩沖區的內容后讀操作就立即返回,而不管是否讀入了要求的字符。
在用重疊方式讀寫串口時,雖然ReadFile和WriteFile在完成操作以前就可能返回,但超時仍然是起作用的。在這種情況下,超時規定的是操作的完成時間,而不是ReadFile和WriteFile的返回時間。
配置串口的示例代碼:
 SetupComm(hCom,1024,1024); //輸入緩沖區和輸出緩沖區的大小都是1024 COMMTIMEOUTS TimeOuts; //設定讀超時 TimeOuts.ReadIntervalTimeout=1000; TimeOuts.ReadTotalTimeoutMultiplier=500; TimeOuts.ReadTotalTimeoutConstant=5000; //設定寫超時 TimeOuts.WriteTotalTimeoutMultiplier=500; TimeOuts.WriteTotalTimeoutConstant=2000; SetCommTimeouts(hCom,&TimeOuts); //設置超時 DCB dcb; GetCommState(hCom,&dcb); dcb.BaudRate=9600; //波特率為9600 dcb.ByteSize=8; //每個字節有8位 dcb.Parity=NOPARITY; //無奇偶校驗位 dcb.StopBits=TWOSTOPBITS; //兩個停止位 SetCommState(hCom,&dcb); PurgeComm(hCom,PURGE_TXCLEAR|PURGE_RXCLEAR); 
在讀寫串口之前,還要用PurgeComm()函數清空緩沖區,該函數原型:
BOOL PurgeComm( HANDLE hFile, //串口句柄 DWORD dwFlags // 需要完成的操作 ); 
參數dwFlags指定要完成的操作,可以是下列值的組合:
PURGE_TXABORT 中斷所有寫操作并立即返回,即使寫操作還沒有完成。 PURGE_RXABORT 中斷所有讀操作并立即返回,即使讀操作還沒有完成。 PURGE_TXCLEAR 清除輸出緩沖區 PURGE_RXCLEAR 清除輸入緩沖區 

       3、讀寫串口

       我們使用ReadFile和WriteFile讀寫串口,下面是兩個函數的聲明:

BOOL ReadFile( HANDLE hFile, //串口的句柄 // 讀入的數據存儲的地址, // 即讀入的數據將存儲在以該指針的值為首地址的一片內存區 LPVOID lpBuffer, DWORD nNumberOfBytesToRead, // 要讀入的數據的字節數 // 指向一個DWORD數值,該數值返回讀操作實際讀入的字節數 LPDWORD lpNumberOfBytesRead, // 重疊操作時,該參數指向一個OVERLAPPED結構,同步操作時,該參數為NULL。 LPOVERLAPPED lpOverlapped ); BOOL WriteFile( HANDLE hFile, //串口的句柄 // 寫入的數據存儲的地址, // 即以該指針的值為首地址的nNumberOfBytesToWrite // 個字節的數據將要寫入串口的發送數據緩沖區。 LPCVOID lpBuffer, DWORD nNumberOfBytesToWrite, //要寫入的數據的字節數 // 指向指向一個DWORD數值,該數值返回實際寫入的字節數 LPDWORD lpNumberOfBytesWritten, // 重疊操作時,該參數指向一個OVERLAPPED結構, // 同步操作時,該參數為NULL。 LPOVERLAPPED lpOverlapped ); 
在用ReadFile和WriteFile讀寫串口時,既可以同步執行,也可以重疊執行。在同步執行時,函數直到操作完成后才返回。這意味著同步執行時線程會被阻塞,從而導致效率下降。在重疊執行時,即使操作還未完成,這兩個函數也會立即返回,費時的I/O操作在后臺進行。
ReadFile和WriteFile函數是同步還是異步由CreateFile函數決定,如果在調用CreateFile創建句柄時指定了FILE_FLAG_OVERLAPPED標志,那么調用ReadFile和WriteFile對該句柄進行的操作就應該是重疊的;如果未指定重疊標志,則讀寫操作應該是同步的。ReadFile和WriteFile函數的同步或者異步應該和CreateFile函數相一致。
ReadFile函數只要在串口輸入緩沖區中讀入指定數量的字符,就算完成操作。而WriteFile函數不但要把指定數量的字符拷入到輸出緩沖區,而且要等這些字符從串行口送出去后才算完成操作。
如果操作成功,這兩個函數都返回TRUE。需要注意的是,當ReadFile和WriteFile返回FALSE時,不一定就是操作失敗,線程應該調用GetLastError函數分析返回的結果。例如,在重疊操作時如果操作還未完成函數就返回,那么函數就返回FALSE,而且GetLastError函數返回ERROR_IO_PENDING。這說明重疊操作還未完成。

同步方式讀寫串口比較簡單,下面先例舉同步方式讀寫串口的代碼:
//同步讀串口 char str[100]; DWORD wCount;//讀取的字節數 BOOL bReadStat; bReadStat=ReadFile(hCom,str,100,&wCount,NULL); if(!bReadStat) { AfxMessageBox("讀串口失敗!"); return FALSE; } return TRUE; //同步寫串口 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("寫串口失敗!"); } PurgeComm(hCom, PURGE_TXABORT| PURGE_RXABORT|PURGE_TXCLEAR|PURGE_RXCLEAR); 
在重疊操作時,操作還未完成函數就返回。

重疊I/O非常靈活,它也可以實現阻塞(例如我們可以設置一定要讀取到一個數據才能進行到下一步操作)。有兩種方法可以等待操作完成:一種方法是用象WaitForSingleObject這樣的等待函數來等待OVERLAPPED結構的hEvent成員;另一種方法是調用GetOverlappedResult函數等待,后面將演示說明。
下面我們先簡單說一下OVERLAPPED結構和GetOverlappedResult函數:
OVERLAPPED結構
OVERLAPPED結構包含了重疊I/O的一些信息,定義如下:
typedef struct _OVERLAPPED { // o DWORD Internal; DWORD InternalHigh; DWORD Offset; DWORD OffsetHigh; HANDLE hEvent; } OVERLAPPED; 
在使用ReadFile和WriteFile重疊操作時,線程需要創建OVERLAPPED結構以供這兩個函數使用。線程通過OVERLAPPED結構獲得當前的操作狀態,該結構最重要的成員是hEvent。hEvent是讀寫事件。當串口使用異步通訊時,函數返回時操作可能還沒有完成,程序可以通過檢查該事件得知是否讀寫完畢。
當調用ReadFile, WriteFile 函數的時候,該成員會自動被置為無信號狀態;當重疊操作完成后,該成員變量會自動被置為有信號狀態。
GetOverlappedResult函數 BOOL GetOverlappedResult( HANDLE hFile, // 串口的句柄 // 指向重疊操作開始時指定的OVERLAPPED結構 LPOVERLAPPED lpOverlapped, // 指向一個32位變量,該變量的值返回實際讀寫操作傳輸的字節數。 LPDWORD lpNumberOfBytesTransferred, // 該參數用于指定函數是否一直等到重疊操作結束。 // 如果該參數為TRUE,函數直到操作結束才返回。 // 如果該參數為FALSE,函數直接返回,這時如果操作沒有完成, // 通過調用GetLastError()函數會返回ERROR_IO_INCOMPLETE。 BOOL bWait ); 
該函數返回重疊操作的結果,用來判斷異步操作是否完成,它是通過判斷OVERLAPPED結構中的hEvent是否被置位來實現的。

異步讀串口的示例代碼:

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函數返回FALSE { if(GetLastError()==ERROR_IO_PENDING) //GetLastError()函數返回ERROR_IO_PENDING,表明串口正在進行讀操作 { WaitForSingleObject(m_osRead.hEvent,2000); //使用WaitForSingleObject函數等待,直到讀操作完成或延時已達到2秒鐘 //當串口讀操作進行完畢后,m_osRead的hEvent事件會變為有信號 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; 
對以上代碼再作簡要說明:在使用ReadFile 函數進行讀操作前,應先使用ClearCommError函數清除錯誤。ClearCommError函數的原型如下:
BOOL ClearCommError( HANDLE hFile, // 串口句柄 LPDWORD lpErrors, // 指向接收錯誤碼的變量 LPCOMSTAT lpStat // 指向通訊狀態緩沖區 ); 
該函數獲得通信錯誤并報告串口的當前狀態,同時,該函數清除串口的錯誤標志以便繼續輸入、輸出操作。
參數lpStat指向一個COMSTAT結構,該結構返回串口狀態信息。 COMSTAT結構 COMSTAT結構包含串口的信息,結構定義如下:
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成員變量,該成員變量的值代表輸入緩沖區的字節數。

最后用PurgeComm函數清空串口的輸入輸出緩沖區。
這段代碼用WaitForSingleObject函數來等待OVERLAPPED結構的hEvent成員,下面我們再演示一段調用GetOverlappedResult函數等待的異步讀串口示例代碼:

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函數返回FALSE { if(GetLastError()==ERROR_IO_PENDING) { GetOverlappedResult(hCom, &m_osRead,&dwBytesRead,TRUE); // GetOverlappedResult函數的最后一個參數設為TRUE, //函數會一直等待,直到讀操作完成或由于錯誤而返回。 return dwBytesRead; } return 0; } return dwBytesRead; 
異步寫串口的示例代碼:
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、關閉串口

       利用API函數關閉串口非常簡單,只需使用CreateFile函數返回的句柄作為參數調用CloseHandle即可:

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

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2013年3月15日
作者:雞啄米 分類:軟件開發 瀏覽: 評論:11