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。

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

1	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

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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

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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：

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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：

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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：

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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：

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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：

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//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：

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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：

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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：

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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：

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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：

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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：

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