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Posted on 2006-07-18 13:01 江邊之鳥 閱讀(884) 評(píng)論(1) 編輯 收藏 引用
本文詳細(xì)介紹了串行通信的基本原理，以及在Windows NT、Win98環(huán)境下用MFC實(shí)現(xiàn)串口（COM）通信的方法：使用ActiveX控件或Win API.并給出用Visual C++6.0編寫的相應(yīng)MFC32位應(yīng)用程序。關(guān)鍵詞：串行通信、VC++6.0、ActiveX控件、Win API、MFC32位應(yīng)用程序、事件驅(qū)動(dòng)、非阻塞通信、多線程.
在Windows應(yīng)用程序的開發(fā)中，我們常常需要面臨與外圍數(shù)據(jù)源設(shè)備通信的問題。計(jì)算機(jī)和單片機(jī)（如MCS-51）都具有串行通信口，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的串口通信程序，完成二者之間的數(shù)據(jù)通信任務(wù)。
實(shí)際工作中利用串口完成通信任務(wù)的時(shí)候非常之多。已有一些文章介紹串口編程的文章在計(jì)算機(jī)雜志上發(fā)表。但總的感覺說來不太全面，特別是介紹32位下編程的更少，且很不詳細(xì)。筆者在實(shí)際工作中積累了較多經(jīng)驗(yàn),結(jié)合硬件、軟件，重點(diǎn)提及比較新的技術(shù)，及需要注意的要點(diǎn)作一番探討。希望對(duì)各位需要編寫串口通信程序的朋友有一些幫助。
一．串行通信的基本原理
串行端口的本質(zhì)功能是作為CPU和串行設(shè)備間的編碼轉(zhuǎn)換器。當(dāng)數(shù)據(jù)從 CPU經(jīng)過串行端口發(fā)送出去時(shí)，字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的位。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，串行的位被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。
在Windows環(huán)境（Windows NT、Win98、Windows2000）下，串口是系統(tǒng)資源的一部分。
應(yīng)用程序要使用串口進(jìn)行通信，必須在使用之前向操作系統(tǒng)提出資源申請(qǐng)要求（打開串口），通信完成后必須釋放資源（關(guān)閉串口）。
串口通信程序的流程如下圖：
二．串口信號(hào)線的接法
一個(gè)完整的RS-232C接口有22根線，采用標(biāo)準(zhǔn)的25芯插頭座（或者9芯插頭座）。25芯和9芯的主要信號(hào)線相同。以下的介紹是以25芯的RS-232C為例。
①主要信號(hào)線定義：
2腳：發(fā)送數(shù)據(jù)TXD； 3腳：接收數(shù)據(jù)RXD； 4腳：請(qǐng)求發(fā)送RTS； 5腳：清除發(fā)送CTS；
6腳：數(shù)據(jù)設(shè)備就緒DSR；20腳：數(shù)據(jù)終端就緒DTR； 8腳：數(shù)據(jù)載波檢測(cè)DCD；
1腳：保護(hù)地； 7腳：信號(hào)地。
②電氣特性：
數(shù)據(jù)傳輸速率最大可到20K bps,最大距離僅15m.
注：看了微軟的MSDN 6.0，其Windows API中關(guān)于串行通訊設(shè)備（不一定都是串口RS-232C或RS-422或RS-449）速率的設(shè)置，最大可支持到RS_256000，即256K bps! 也不知道到底是什么串行通訊設(shè)備？但不管怎樣，一般主機(jī)和單片機(jī)的串口通訊大多都在9600 bps,可以滿足通訊需求。
③接口的典型應(yīng)用：
大多數(shù)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)與智能單元之間只需使用3到5根信號(hào)線即可工作。這時(shí)，除了TXD、RXD以外，還需使用RTS、CTS、DCD、DTR、DSR等信號(hào)線。（當(dāng)然，在程序中也需要對(duì)相應(yīng)的信號(hào)線進(jìn)行設(shè)置。）
圖 最簡(jiǎn)單的RS232-C信號(hào)線接法
以上接法，在設(shè)計(jì)程序時(shí)，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送就可以了，不需要 對(duì)信號(hào)線的狀態(tài)進(jìn)行判斷或設(shè)置。（如果應(yīng)用的場(chǎng)合需要使用握手信號(hào)等，需要對(duì)相應(yīng)的信號(hào)線的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)或設(shè)置。）
三．16位串口應(yīng)用程序的簡(jiǎn)單回顧
16位串口應(yīng)用程序中，使用的16位的Windows API通信函數(shù):
① OpenComm() 打開串口資源，并指定輸入、輸出緩沖區(qū)的大小（以字節(jié)計(jì)）；
CloseComm() 關(guān)閉串口;
例：int idComDev;
idComDev = OpenComm("COM1", 1024, 128);
CloseComm(idComDev);
② BuildCommDCB() 、setCommState()填寫設(shè)備控制塊DCB，然后對(duì)已打開的串口進(jìn)行參數(shù)配置;
例：DCB dcb;
BuildCommDCB("COM1:2400,n,8,1", &dcb);
SetCommState(&dcb);
③ ReadComm 、WriteComm()對(duì)串口進(jìn)行讀寫操作，即數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送.
例：char *m_pRecieve; int count;
ReadComm(idComDev,m_pRecieve,count);
Char wr[30]; int count2;
WriteComm(idComDev,wr,count2);
16位下的串口通信程序最大的特點(diǎn)就在于：串口等外部設(shè)備的操作有自己特有的API函數(shù)；而32位程序則把串口操作（以及并口等）和文件操作統(tǒng)一起來了，使用類似的操作。
四．在MFC下的32位串口應(yīng)用程序
32位下串口通信程序可以用兩種方法實(shí)現(xiàn)：利用ActiveX控件；使用API 通信函數(shù)。
使用ActiveX控件，程序?qū)崿F(xiàn)非常簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)清晰，缺點(diǎn)是欠靈活；使用API 通信函數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)則基本上相反。
以下介紹的都是在單文檔（SDI）應(yīng)用程序中加入串口通信能力的程序。
㈠ 使用ActiveX控件：
VC++ 6.0提供的MSComm控件通過串行端口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，為應(yīng)用程序提供串行通信功能。使用非常方便，但可惜的是，很少有介紹MSComm控件的資料。
⑴．在當(dāng)前的Workspace中插入MSComm控件。
Project菜單------>Add to Project---->Components and Controls----->Registered
ActiveX Controls--->選擇Components: Microsoft Communications Control,
version 6.0 插入到當(dāng)前的Workspace中。
結(jié)果添加了類CMSComm(及相應(yīng)文件：mscomm.h和mscomm.cpp )。
⑵．在MainFrm.h中加入MSComm控件。
protected:
CMSComm m_ComPort;
在Mainfrm.cpp::OnCreare()中：
DWORD style=WS_VISIBLE|WS_CHILD;
if (!m_ComPort.Create(NULL,style,CRect(0,0,0,0),this,ID_COMMCTRL)){
TRACE0("Failed to create OLE Communications Control\n");
return -1; // fail to create
}
⑶.初始化串口
m_ComPort.SetCommPort(1); //選擇COM?
m_ComPort. SetInBufferSize(1024); //設(shè)置輸入緩沖區(qū)的大小，Bytes
m_ComPort. SetOutBufferSize(512); //設(shè)置輸入緩沖區(qū)的大小，Bytes//
if(!m_ComPort.GetPortOpen()) //打開串口
m_ComPort.SetPortOpen(TRUE);
m_ComPort.SetInputMode(1); //設(shè)置輸入方式為二進(jìn)制方式
m_ComPort.SetSettings("9600,n,8,1"); //設(shè)置波特率等參數(shù)
m_ComPort.SetRThreshold(1); //為1表示有一個(gè)字符引發(fā)一個(gè)事件
m_ComPort.SetInputLen(0);
⑷．捕捉串口事項(xiàng)。MSComm控件可以采用輪詢或事件驅(qū)動(dòng)的方法從端口獲取數(shù)據(jù)。我們介紹比較使用的事件驅(qū)動(dòng)方法：有事件（如接收到數(shù)據(jù)）時(shí)通知程序。在程序中需要捕獲并處理這些通訊事件。
在MainFrm.h中：
protected:
afx_msg void OnCommMscomm();
DECLARE_EVENTSINK_MAP()
在MainFrm.cpp中：
BEGIN_EVENTSINK_MAP(CMainFrame,CFrameWnd )
ON_EVENT(CMainFrame,ID_COMMCTRL,1,OnCommMscomm,VTS_NONE)
//映射ActiveX控件事件
END_EVENTSINK_MAP()
⑸．串口讀寫. 完成讀寫的函數(shù)的確很簡(jiǎn)單，GetInput()和SetOutput()就可。兩個(gè)函數(shù)的原型是：
VARIANT GetInput()；及 void SetOutput(const VARIANT& newValue);都要使用VARIANT類型（所有Idispatch::Invoke的參數(shù)和返回值在內(nèi)部都是作為VARIANT對(duì)象處理的）。
無論是在PC機(jī)讀取上傳數(shù)據(jù)時(shí)還是在PC機(jī)發(fā)送下行命令時(shí)，我們都習(xí)慣于使用字符串的形式（也可以說是數(shù)組形式）。查閱VARIANT文檔知道，可以用BSTR表示字符串，但遺憾的是所有的BSTR都是包含寬字符，即使我們沒有定義_UNICODE_UNICODE也是這樣！ WinNT支持寬字符, 而Win95并不支持。為解決上述問題，我們?cè)趯?shí)際工作中使用CbyteArray，給出相應(yīng)的部分程序如下：
void CMainFrame::OnCommMscomm(){
VARIANT vResponse; int k;
if(m_commCtrl.GetCommEvent()==2) {
k=m_commCtrl.GetInBufferCount(); //接收到的字符數(shù)目
if(k>0) {
vResponse=m_commCtrl.GetInput(); //read
SaveData(k,(unsigned char*) vResponse.parray->pvData);
} // 接收到字符，MSComm控件發(fā)送事件 }
。。。。。 // 處理其他MSComm控件
}
void CMainFrame::OnCommSend() {
。。。。。。。。 // 準(zhǔn)備需要發(fā)送的命令，放在TxData[]中
CByteArray array;
array.RemoveAll();
array.SetSize(Count);
for(i=0;i<Count;i++)
array.SetAt(i, TxData[i]);
m_ComPort.SetOutput(COleVariant(array)); // 發(fā)送數(shù)據(jù)
}
請(qǐng)大家認(rèn)真關(guān)注第⑷、⑸中內(nèi)容，在實(shí)際工作中是重點(diǎn)、難點(diǎn)所在。
㈡ 使用32位的API 通信函數(shù):
可能很多朋友會(huì)覺得奇怪：用32位API函數(shù)編寫串口通信程序，不就是把16位的API換成32位嗎？16位的串口通信程序可是多年之前就有很多人研討過了……
此文主要想介紹一下在API串口通信中如何結(jié)合非阻塞通信、多線程等手段，編寫出高質(zhì)量的通信程序。特別是在CPU處理任務(wù)比較繁重、與外圍設(shè)備中有大量的通信數(shù)據(jù)時(shí)，更有實(shí)際意義。
⑴．在中MainFrm.cpp定義全局變量
HANDLE hCom; // 準(zhǔn)備打開的串口的句柄
HANDLE hCommWatchThread ;//輔助線程的全局函數(shù)
⑵．打開串口，設(shè)置串口
hCom =CreateFile( "COM2", GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, // 允許讀寫
0, // 此項(xiàng)必須為0
NULL, // no security attrs
OPEN_EXISTING, //設(shè)置產(chǎn)生方式
FILE_FLAG_OVERLAPPED, // 我們準(zhǔn)備使用異步通信
NULL );
請(qǐng)大家注意，我們使用了FILE_FLAG_OVERLAPPED結(jié)構(gòu)。這正是使用API實(shí)現(xiàn)非阻塞通信的關(guān)鍵所在。
ASSERT(hCom!=INVALID_HANDLE_VALUE); //檢測(cè)打開串口操作是否成功
SetCommMask(hCom, EV_RXCHAR|EV_TXEMPTY );//設(shè)置事件驅(qū)動(dòng)的類型
SetupComm( hCom, 1024,512) ; //設(shè)置輸入、輸出緩沖區(qū)的大小
PurgeComm( hCom, PURGE_TXABORT | PURGE_RXABORT | PURGE_TXCLEAR
| PURGE_RXCLEAR ); //清干凈輸入、輸出緩沖區(qū)
COMMTIMEOUTS CommTimeOuts ; //定義超時(shí)結(jié)構(gòu)，并填寫該結(jié)構(gòu)
…………
SetCommTimeouts( hCom, &CommTimeOuts ) ;//設(shè)置讀寫操作所允許的超時(shí)
DCB dcb ; // 定義數(shù)據(jù)控制塊結(jié)構(gòu)
GetCommState(hCom, &dcb ) ; //讀串口原來的參數(shù)設(shè)置
dcb.BaudRate =9600; dcb.ByteSize =8; dcb.Parity = NOPARITY;
dcb.StopBits = ONESTOPBIT ;dcb.fBinary = TRUE ;dcb.fParity = FALSE;
SetCommState(hCom, &dcb ) ; //串口參數(shù)配置
上述的COMMTIMEOUTS結(jié)構(gòu)和DCB都很重要，實(shí)際工作中需要仔細(xì)選擇參數(shù)。
⑶啟動(dòng)一個(gè)輔助線程，用于串口事件的處理。
Windows提供了兩種線程，輔助線程和用戶界面線程。區(qū)別在于：輔助線程沒有窗口，所以它沒有自己的消息循環(huán)。但是輔助線程很容易編程，通常也很有用。
在次，我們使用輔助線程。主要用它來監(jiān)視串口狀態(tài)，看有無數(shù)據(jù)到達(dá)、通信有無錯(cuò)誤；而主線程則可專心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、提供友好的用戶界面等重要的工作。
hCommWatchThread=
CreateThread( (LPSECURITY_ATTRIBUTES) NULL, //安全屬性
0,//初始化線程棧的大小，缺省為與主線程大小相同
(LPTHREAD_START_ROUTINE)CommWatchProc, //線程的全局函數(shù)
GetSafeHwnd(), //此處傳入了主框架的句柄
0, &dwThreadID );
ASSERT(hCommWatchThread!=NULL);
⑷為輔助線程寫一個(gè)全局函數(shù)，主要完成數(shù)據(jù)接收的工作。請(qǐng)注意OVERLAPPED結(jié)構(gòu)的使用，以及怎樣實(shí)現(xiàn)了非阻塞通信。
UINT CommWatchProc(HWND hSendWnd){
DWORD dwEvtMask=0 ;
SetCommMask( hCom, EV_RXCHAR|EV_TXEMPTY );//有哪些串口事件需要監(jiān)視？
WaitCommEvent( hCom, &dwEvtMask, os );// 等待串口通信事件的發(fā)生
檢測(cè)返回的dwEvtMask，知道發(fā)生了什么串口事件：
if ((dwEvtMask & EV_RXCHAR) == EV_RXCHAR){ // 緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)到達(dá)
COMSTAT ComStat ; DWORD dwLength;
ClearCommError(hCom, &dwErrorFlags, &ComStat ) ;
dwLength = ComStat.cbInQue ; //輸入緩沖區(qū)有多少數(shù)據(jù)？
if (dwLength > 0) {
BOOL fReadStat ;
fReadStat = ReadFile( hCom, lpBuffer，dwLength, &dwBytesRead,
&READ_OS( npTTYInfo ) ); //讀數(shù)據(jù)
注:我們?cè)贑reareFile()時(shí)使用了FILE_FLAG_OVERLAPPED,現(xiàn)在ReadFile()也必須使用
LPOVERLAPPED結(jié)構(gòu).否則,函數(shù)會(huì)不正確地報(bào)告讀操作已完成了.
使用LPOVERLAPPED結(jié)構(gòu), ReadFile()立即返回,不必等待讀操作完成,實(shí)現(xiàn)非阻塞
通信.此時(shí), ReadFile()返回FALSE, GetLastError()返回ERROR_IO_PENDING.
if (!fReadStat){
if (GetLastError() == ERROR_IO_PENDING){
while(!GetOverlappedResult(hCom,
&READ_OS( npTTYInfo ), & dwBytesRead, TRUE )){
dwError = GetLastError();
if(dwError == ERROR_IO_INCOMPLETE) continue；
//緩沖區(qū)數(shù)據(jù)沒有讀完，繼續(xù)
…… ……
::PostMessage((HWND)hSendWnd,WM_NOTIFYPROCESS,0,0);//通知主線程，串口收到數(shù)據(jù) }
所謂的非阻塞通信，也即異步通信。是指在進(jìn)行需要花費(fèi)大量時(shí)間的數(shù)據(jù)讀寫操作（不僅僅是指串行通信操作）時(shí)，一旦調(diào)用ReadFile()、WriteFile(), 就能立即返回，而讓實(shí)際的讀寫操作在后臺(tái)運(yùn)行；相反，如使用阻塞通信，則必須在讀或?qū)懖僮魅客瓿珊蟛拍芊祷亍Ｓ捎诓僮骺赡苄枰我忾L(zhǎng)的時(shí)間才能完成，于是問題就出現(xiàn)了。
非常阻塞操作還允許讀、寫操作能同時(shí)進(jìn)行（即重疊操作?），在實(shí)際工作中非常有用。
要使用非阻塞通信，首先在CreateFile()時(shí)必須使用FILE_FLAG_OVERLAPPED；然后在 ReadFile()時(shí)lpOverlapped參數(shù)一定不能為NULL，接著檢查函數(shù)調(diào)用的返回值，調(diào)用GetLastError()，看是否返回ERROR_IO_PENDING。如是，最后調(diào)用GetOverlappedResult()返回重疊操作(overlapped operation)的結(jié)果;WriteFile()的使用類似。
⑸．在主線程中發(fā)送下行命令。
BOOL fWriteStat ; char szBuffer[count];
…………//準(zhǔn)備好發(fā)送的數(shù)據(jù)，放在szBuffer[]中
fWriteStat = WriteFile(hCom, szBuffer, dwBytesToWrite,
&dwBytesWritten, &WRITE_OS( npTTYInfo ) ); //寫數(shù)據(jù)
注:我們?cè)贑reareFile()時(shí)使用了FILE_FLAG_OVERLAPPED,現(xiàn)在WriteFile()也必須使用 LPOVERLAPPED結(jié)構(gòu).否則,函數(shù)會(huì)不正確地報(bào)告寫操作已完成了.
使用LPOVERLAPPED結(jié)構(gòu),WriteFile()立即返回,不必等待寫操作完成,實(shí)現(xiàn)非阻塞 通信.此時(shí), WriteFile()返回FALSE, GetLastError()返回ERROR_IO_PENDING.
int err=GetLastError();
if (!fWriteStat) {
if(GetLastError() == ERROR_IO_PENDING){
while(!GetOverlappedResult(hCom, &WRITE_OS( npTTYInfo ),
&dwBytesWritten, TRUE )) {
dwError = GetLastError();
if(dwError == ERROR_IO_INCOMPLETE){
// normal result if not finished
dwBytesSent += dwBytesWritten; continue; }
......................
綜上，我們使用了多線程技術(shù)，在輔助線程中監(jiān)視串口，有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)依靠事件驅(qū)動(dòng)，讀入數(shù)據(jù)并向主線程報(bào)告（發(fā)送數(shù)據(jù)在主線程中，相對(duì)說來，下行命令的數(shù)據(jù)總是少得多）；并且，WaitCommEvent()、ReadFile()、WriteFile()都使用了非阻塞通信技術(shù)，依靠重疊（overlapped）讀寫操作，讓串口讀寫操作在后臺(tái)運(yùn)行。
依托vc6.0豐富的功能，結(jié)合我們提及的技術(shù)，寫出有強(qiáng)大控制能力的串口通信應(yīng)用程序。就個(gè)人而言，我更偏愛API技術(shù)，因?yàn)榭刂剖侄我`活的多,功能也要強(qiáng)大得多。
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