基于API函數(shù)庫實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)通信的分析與設(shè)計

屈武江

(大連海洋大學 應用技術(shù)學院，遼寧 大連 116300)

0 引 言

數(shù)據(jù)通信也稱為數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)交換，是將從系統(tǒng)外部采集的數(shù)據(jù)通過一種通信設(shè)備傳送到系統(tǒng)內(nèi)部的一個接口[1]。數(shù)據(jù)通信不僅包括計算機與計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸，也包括計算機與其他外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。目前數(shù)據(jù)通信技術(shù)在實時監(jiān)控系統(tǒng)和工業(yè)自動化系統(tǒng)中得到了廣泛應用。

1 串口數(shù)據(jù)通信

1.1 串口數(shù)據(jù)通信

串口數(shù)據(jù)通信是指通過計算機上的串行接口使計算機與計算機之間或者計算機與外部設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N數(shù)據(jù)獲取方式[2]。串行接口通常是指計算機上的COM接口，是一種通用的設(shè)備通信接口[3]。一般來說串口主要用于連接鼠標等外部設(shè)備，同時串口也是用于外部設(shè)備與計算機系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)的通道。如果計算機上沒有串行接口，用戶可以使用USB轉(zhuǎn)接器將USB接口轉(zhuǎn)換為串行接口。串口數(shù)據(jù)通信由于使用設(shè)備簡單，同時通過實現(xiàn)超遠距離數(shù)據(jù)傳送，因此在工業(yè)和自動化系統(tǒng)中經(jīng)常使用串行接口進行數(shù)據(jù)通信[4]。

1.2 串口數(shù)據(jù)通信的過程

應用串行接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的過程：首先通過命令設(shè)置串口名稱、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶位檢驗等串口參數(shù)，然后打開串口等待接口數(shù)據(jù)[5]。接著進行數(shù)據(jù)通信，也就是讀取串口數(shù)據(jù)或者向串口傳遞數(shù)據(jù)[3-6]。最后數(shù)據(jù)通信完畢關(guān)閉串口，釋放資源。

2 串口數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)方法

2.1 使用VB6.0中的MSComm控件

VB6.0提供了MSComm串口通訊控件，MSComm控件隱藏了串口通信的運行過程，用戶只需要編寫少量的程序代碼就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[7]。MSComm串口通訊控件提供了事件驅(qū)動通信和查詢檢測通信兩種數(shù)據(jù)通信的方法，事件驅(qū)動通信指當CD線或RTS線上有字符到達或發(fā)生改變時，OnComm事件捕獲或處理這些通訊事件和處理通訊中的錯誤。查詢檢測通信指可以在每個重要的程序功能之后檢查CommEvent屬性的值來檢測事件和通信錯誤。對于數(shù)據(jù)通訊量不大和對通信要求不高的數(shù)據(jù)通信環(huán)境下建議采取這種方式進行數(shù)據(jù)通信[8]。但是應用MSComm控件進行數(shù)據(jù)通信時，每一個MSComm控件對應一個串口，如果在程序中需要提供多個串口，則必須要添加多個MSComm控件。

2.2 使用SerialPort串口通訊類

VS2012是Microsoft Visual Studio 2012的簡稱，是微軟公司開發(fā)的目前最流行的Windows平臺應用程序的集成開發(fā)環(huán)境，提供了軟件開發(fā)過程中所需要的各種工具[3,9]。其集成架構(gòu)Framework2.0以上類庫提供了SerialPort類可以取代MSComm控件實現(xiàn)串口通信。其執(zhí)行過程如下：

(1)創(chuàng)建數(shù)據(jù)通信類對象，設(shè)置通信串口的主要參數(shù)：BaudRate(波特率)、PortName(串口名稱)、ReceivedBytesThreshold(觸發(fā)數(shù)據(jù)接收事件DataReceived)、WriteBufferSize/ReadBufferSize(寫緩沖區(qū)和讀緩沖區(qū)大小)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)通信類對象的Open方法打開新的串行口。

(2)執(zhí)行Read或者ReadLine方法從新打開的串行口中讀取數(shù)據(jù)，通過執(zhí)行Write或者WriteLine方法將數(shù)據(jù)寫入新建的串行口，但要注意讀方法與寫方法必須要配對，即用Write方法寫數(shù)據(jù)，則必須用Read方法讀取數(shù)據(jù)。

(3)通信完畢，調(diào)用Close方法關(guān)閉串口。

2.3 調(diào)用API庫中的通信函數(shù)

Windows操作系統(tǒng)提供了低層的API函數(shù)庫，API函數(shù)庫提供了多種函數(shù)可以實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)通信。這種方法實現(xiàn)的數(shù)據(jù)通信效率高，主要適用于大型通信程序及通信質(zhì)量要求較高的場合[10]。

調(diào)用API函數(shù)來實現(xiàn)串口通信基本過程包括：

(1)執(zhí)行API函數(shù)庫的CreateFile()函數(shù)創(chuàng)建一個新的串口，通過執(zhí)行SetupComm()函數(shù)為新創(chuàng)建的串口分配輸入和輸出緩沖區(qū)大小，調(diào)用BuildCommDCB()或者SetCommState()函數(shù)設(shè)置串口通信的控制參數(shù)[11]。

(2)執(zhí)行API庫的WriteFile()庫函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到新創(chuàng)建的串行口，同時將發(fā)送到串行口的數(shù)據(jù)寫入相應的文件，也可以執(zhí)行ReadFile()庫函數(shù)從寫入的文件中讀取數(shù)據(jù)[12]。

(3)通信完畢，調(diào)用API庫函數(shù)CloseHandle()函數(shù)關(guān)閉串口。

3 基于API函數(shù)庫實現(xiàn)串口通信的設(shè)計與實現(xiàn)

文中以設(shè)計農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中蔬菜大棚自動殺蟲燈為例，介紹基于API函數(shù)庫實現(xiàn)串口通信的設(shè)計與實現(xiàn)。

3.1 基于API函數(shù)庫實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)通信的設(shè)計

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)戶經(jīng)常在蔬菜大棚安裝自動殺蟲燈并進行實時監(jiān)控和統(tǒng)計顯示在計算機系統(tǒng)中。該系統(tǒng)的設(shè)計思路是當昆蟲被殺死時，昆蟲落下觸發(fā)傳輸設(shè)備觸點并自動計數(shù)，通過網(wǎng)絡4G在指定的時間間隔內(nèi)將計數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮斩藬?shù)據(jù)傳輸設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備將接收的數(shù)據(jù)通過串行接口傳輸數(shù)據(jù)通信軟件，而數(shù)據(jù)通信軟件通過串行接口接收數(shù)據(jù)并存儲到數(shù)據(jù)庫，同時軟件以圖表或其他方式顯示自動殺蟲燈的各月殺蟲情況?；贏PI函數(shù)庫串口數(shù)據(jù)通信軟件設(shè)計流程如圖1所示。

3.2 編寫串口通信通用類

基于API函數(shù)庫的串口數(shù)據(jù)通信軟件采用VS2012集成開發(fā)環(huán)境，存儲數(shù)據(jù)庫采用Access 2013。在程序設(shè)計時首先設(shè)計串口數(shù)據(jù)通信通用類，旨在充分發(fā)揮面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的優(yōu)勢，提高程序的通用性和可移植性，以便實現(xiàn)串口通信接收文件的建立、打開串口和數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)換。重要通用類方法的關(guān)鍵代碼如下：

(1)引入DLLImport屬性類。

[DllImport("kernel32.dll")]

Private atatic extern int CreaFile(

string sfnd //定義串口名稱

uint dwDesiredAccess //將串口的訪問方式設(shè)置為可讀可寫

int dwShareMode,lpSecurityAttributes,dwcd,dwFlagsAnd Attributes,hTemplateFile);

其中DllImport是System.Runtime.InteropServices名稱空間下的屬性類，用來提供從非托管DLL導出函數(shù)的必要調(diào)用信息。上述代碼導出函數(shù)CreateFile創(chuàng)建文件的調(diào)用信息，其中sfnd表示串口的名稱，dwDesiredAccess設(shè)置串口的訪問方式，DwShareMode指定串口的共享模式(0表示不共享)，lpSecurityAttributes設(shè)置串口的安全屬性，dwcd設(shè)置串口的創(chuàng)建方式，dwFlagsAndAttributes設(shè)置串口屬性和標志，hTemplateFile表示文件模板(串口通訊只能設(shè)置為0)。

圖1 基于API函數(shù)庫串口數(shù)據(jù)通信軟件設(shè)計流程

(2)打開串口方法。

打開串口方法名為open，實現(xiàn)過程是首先建立串口參數(shù)屬性及標志設(shè)置結(jié)構(gòu)體變量dcbCommPort和超時結(jié)構(gòu)體變量ctoCommPort，然后調(diào)用外部方法CreateFile建立串口文件打開串口，如果返回的句柄無效，則提示錯誤信息，否則設(shè)置通信超時時間，調(diào)用外部方法GetCommState方法取得串口狀態(tài)參數(shù)，最后調(diào)用SetCommState方法設(shè)置串口參數(shù)，如果出現(xiàn)錯誤，則拋出異常，否則設(shè)置串口狀態(tài)為打開[13]。關(guān)鍵代碼如下：

…………

DCB dcbcp=new DCB();

COMMTIMEOUTS ctocp=new COMMTIMEOUTS();

hc=CreateFile(PortNum, GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,0,0,OPEN_EXISTING,0,0);

if(hc==INVALID_HANDLE_VALUE)

{throw (new ApplicationException("系統(tǒng)提示，無法打開串行端口！"));}

GetCommTimeouts(hComm, ref ctoCommPort);

SetCommTimeouts(hComm, ref ctoCommPort);

GetCommState(hComm, ref dcbCommPort);

…………

if(!SetCommState(hc, ref dcp)) //設(shè)置串口參數(shù)

{throw (new ApplicationException("系統(tǒng)提示，無法打開串行端口！")); }

Opened = true;

(3)數(shù)據(jù)接收方法。

數(shù)據(jù)接收方法主要實現(xiàn)從串行口中接收數(shù)據(jù)。實現(xiàn)過程是首先定義緩沖區(qū)字節(jié)變量數(shù)組，判斷句柄是否有效，如果返回句柄有效則調(diào)用ReadFile外部方法從串口的緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，然后使用數(shù)組復制的Copy方法將讀取的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)復制到OutBytes數(shù)組并返回，如果返回句柄無效則拋出異常錯誤。

(4)關(guān)閉串口方法。

處理代碼判斷hComm是否為無效的句柄，如果是有效的句柄，執(zhí)行CloseHandle方法關(guān)閉串行口。

if (hc!=INVALID_HANDLE_VALUE) {CloseHandle(hComm);}

3.3 基于API函數(shù)庫串口數(shù)據(jù)通信分析軟件功能的實現(xiàn)

串口數(shù)據(jù)通信分析軟件的功能主要有串口參數(shù)設(shè)置、打開串口、接收數(shù)據(jù)并存儲文件，具體實現(xiàn)如下：

3.3.1 打開和關(guān)閉串口功能的實現(xiàn)

串口數(shù)據(jù)通信在接收數(shù)據(jù)前首先要打開串口，在程序設(shè)計的主窗體上添加“打開/關(guān)閉”按鈕，用于打開或關(guān)閉串口?！按蜷_/關(guān)閉”按鈕的代碼事件主要包括按鈕的Click單擊事件和打開串口的方法OpenComPort，在窗體級聲明串口通信通用類對象_myserialPort，進行串口的打開、關(guān)閉、接收數(shù)據(jù)?！按蜷_/關(guān)閉”串口的Click單擊事件的處理代碼根據(jù)按鈕標題判斷是打開還是關(guān)閉串口，根據(jù)標題的不同分別調(diào)用不同的代碼進行串口打開或關(guān)閉。關(guān)鍵代碼如下：

private static Com_IO serialPort1=new Com_IO();

private void btcom1_Click(object sender, EventArgs e)

{if (btcom1.Text== "關(guān)閉")

{serialPort1.Close();

btcom1.Text="打開";

return;}

serialPort1.PortNum=com_port.Text;

serialPort1.BaudRate=int.Parse(BaudRate.Text);

serialPort1.ByteSize=Convert.ToByte(ByteSize.Text);

…………

}

3.3.2 接收數(shù)據(jù)并存儲功能的實現(xiàn)

程序執(zhí)行時單擊主窗體上的“接收數(shù)據(jù)”按鈕，系統(tǒng)自動將Tick1定時器控件設(shè)置為工作狀態(tài)，并根據(jù)控制設(shè)置的時間間隔自動調(diào)用Tick事件，Tick事件判斷串口的狀態(tài)，如果串口處于打開狀態(tài)，則調(diào)用通用類的讀取數(shù)據(jù)方法接收數(shù)據(jù)，如果串口處于關(guān)閉狀態(tài)，則給出提示信息。如果接收數(shù)據(jù)成功，則進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并存儲到數(shù)據(jù)庫中。關(guān)鍵代碼如下：

…………

byte[] text1=serialPort1.Read(40);//調(diào)用Read方法從串口讀取數(shù)據(jù)

tbcon1.Text=BitConverter.ToString(context);//數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換

string string1=tbcon1.Text;

string[] Arr1=string1.Split('-');

string string1="";

foreach (string i in Arr1)//將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串

string1=string1+i.ToString();

if (string1=="")

{MessageBox.Show("接收數(shù)據(jù)為空！", "分析系統(tǒng)提示", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Warning);

return;

}

int lenage=string1.Length;

inta1=0;

string string2="";

for (a1=0;a1

{string2=string2+string1.Substring(a1,4)+",";}

string2=string2.Substring(0, 19);

string[] Arr2=Regex.Split(string2, ",", RegexOptions.IgnoreCase);

string[] da=new string[4];

int l=0;

foreach (string str_array in sArray1)

{

int b=Convert.ToInt32(Convert.ToInt32(str_array, 16));

da[l]=b.ToString();

l=l+1;

}

…………//向數(shù)據(jù)庫中添加獲取的數(shù)據(jù)，代碼略

4 結(jié)束語

應用VS2012集成開發(fā)工具通過調(diào)用API函數(shù)庫中的串口數(shù)據(jù)通信函數(shù)設(shè)計了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)蔬菜大棚殺蟲燈數(shù)據(jù)采集應用系統(tǒng)。通過系統(tǒng)的設(shè)計得出，調(diào)用API庫通信函數(shù)實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)通信，由于涉及的硬件較少，傳輸速度較快，適用于要求通信質(zhì)量和遠距離的數(shù)據(jù)通信需求，具有較強的實用性。