基于Java语言的51单片机串口通讯PC机程序

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基于Java语言的51单片机串口通讯PC机程序

 

李群林

 

电气与信息工程学院测试计量技术与仪器，湖南大学，湖南长沙，410082

 

 

 

摘要：由于Java语言的诸多优点，Java得到了广泛的应用，如今利用Java开发串口通讯已相当成熟，实现简单，可移植性强。文章详细介绍了如何配置开发环境以及使用Java串口API函数编写PC机程序。本程序比使用C++语言编写的串口通讯程序更容易理解，且移植性非常强，视图与控制分开，便于维护和升级。

 

关键字：Java，JBuilder，KeilC，Java Communications API，串口通讯，RS232，单片机

 

 

 

 

 

1 硬件部分（KeilC）

 

 

 

图1 硬件电路图

 

串口通讯硬件部分电路，收发器件采用max232，5V供电。J31接一单片机如AT89C52，单片机的串口与max232的10和11脚相连。

 

max232与微机通过9针接头相连。

 

本文的实验环境是AT89C52，单片机的内部程序是用KeilC语言编写的，程序功能非常简单，检测到开始信号后从串口读数据，然后把读入的数据发送给串口，遇到结束符停止。C语言代码如下供大家参考。在uv3中含有两个文件comm.h和comm.c，代码分别为：

 

/********************************************************/

 

/* comm.h                                               */

 

/* serial port define, only use in comm project                          */     

 

/********************************************************/

 

#define uchar  unsigned char

 

#define uint    unsigned int

 

#define length 0x0F       //数据包长度

 

 

 

uchar      CR          = 0x0D;

 

uchar      LF          = 0x0A;

 

uchar      ESC        = 0x1B;

 

uchar      SYNC     = 0x01;   //数据包启始符

 

uchar      PID        = 0x00;   //数据包标示字

 

uchar      ADDR;                  //串口接收外部命令（片内地址）

 

uchar      DATA;                   //串口返回片内数据

 

uchar      ENDP     = 0x00;   //数据包结束符

 

uchar      ACK              = 0x06;   //串口确认

 

uchar      ERROR   = 0x18;   //串口错误

 

 

 

uchar      wrong[] = "Bad command";

 

/*END*/

 

/*******************************************************/

 

/*comm..c                                            */

 

/* Write time is 2005.4.15,By Gooseli                  */

 

/* Copyright is changsha HUNU unversity gooseli.com          */

 

/* Cpu is At89C51,Fclk is 11.059MHz                                 */

 

/* Compiler is keilC51 compiler                                           */

 

/*******************************************************/

 

 

 

#include<stdio.h>

 

#include<string.h>

 

#include<reg51.h>

 

#include<comm.h>

 

 

 

 

 

void commInit(){

 

//**************************//

 

// 8051串口初始化                     //

 

//**************************//

 

       SCON    = 0x52;

 

       PCON    = 0x80;

 

 

 

       TMOD   = 0x21;

 

       TH1      = 0x0FA;

 

       TL1       = 0x0FA;

 

       TCON    = 0x40;

 

//*****************************************************//

 

// 串口控制器工作于方式1，8位，频率可变。接收允许      //

 

// 串口波特率系数SMOD = 1                                              //

 

// 定时器1工作于方式1，8位自动装载。定时器0方式1，16位 //

 

// 11.059M晶振，波特率 = 9600，TH1 = 0x0FA;            //

 

//                      19200           0x0FD             //

 

//                      57600              0x0FF                //

 

// 3.6864M晶振                   9600            0x0FE             //

 

//                                        19200            0x0FF                    //

 

// #3.6864M晶振工作于方式2                                                 //

 

// #在SMOD = 1时，波特率 = 115200                      //

 

// 开中断TR1 = 1                                       //

 

//*****************************************************//

 

}

 

 

 

 

 

uchar flag;

 

uchar readln();

 

void println( uchar *str );

 

 

 

main(){  

 

 

 

    commInit();                                             //初始化串口

 

       while(1){

 

              flag = readln();

 

       }

 

}

 

 

 

uchar readln(){

 

       uchar      a;

 

       uchar      str[length];

 

       int i;

 

 

 

       scanf("%c",&a);                                     //寻找起始符,回车则开始

 

       if( a==SYNC || a==LF ){

 

              while(1){

 

                     printf("\n>>");

 

                     //printf(">>");

 

                     scanf("%c",&a);

 

                     if( a==ENDP || a == ESC ){  //如果ESC则对话结束

 

                            break;    

 

                     }

 

                     for( i="0"; i<length-1 && a!=CR && a!=LF; i++ ){

 

                                                                      //读入数据包，如果溢出或者回车则结束

 

                            str[i] = a;

 

                            scanf("%c",&a);

 

                     }

 

                     str[i] = ENDP;                            //为数据包添加结束符，“\0”

 

                     printf("%s",str);                 //输出输入值

 

                    

 

                     /*To do something by yourself*/

 

              }

 

              return ACK;

 

       }

 

       printf("\n%s\n>>",wrong);

 

 

 

       return ERROR;     

 

}

 

/*END*/

 

2 配置运行环境（JDK）

 

Java通讯库函数Java Communications API，Java开发工具JBuilderX。

 

此Java(TM) Communications API Specification 2.0(Windows Platform)是Sun公司为Windows平台提供的一个串口API扩展，可以到 http://java.sun.com/products/javacomm/ 下载。Sun公司还提供了其他操作系统下的API下载，移植性是Java先天的优势，如果需要在其他操作系统运行程序，不需要改动程序本身，只要在操作系统下植入相应的API库函数即可实现。

 

JBuilder是Borland公司出品的一款功能强大的可视化Java集成开发工具，可以快速开发包括复杂企业级应用系统的各种Java程序，本文的程序都用其实现。当然我们以可使用其他优秀的开发工具，例如开放源代码的Eclipse，功能强大，插件丰富。

 

在下载Java Communications API压缩文件里找到三个文件：comm.jar，win32comm.dll，javax.comm.properties，这三个文件是把API安装到Windows环境中的重要文件，我们把他们放在我们的JDK里面。

 

把comm..jar复制到%JAVA_HOME%\jre\lib\ext，javax.comm.properties复制到%JAVA_HOME%\jre\lib，win32comm.dll复制到%JAVA_HOME%\bin即可。这样我们的程序就可以在Windows环境中运行了，Java Communications API压缩文件中自带有例子，我们可以尝试一下。

 

接下来我们要把Java Communications API安装到JBuilder里面，如果JBuilder不是使用的外部的JDK，照上面的的步骤再做一次。假如我们外部的JDK和JBuilder的JDK是同一的JDK，我们就直接跳到下一步。

 

 

 

1）打开JBuilder，为我们的任务建立一个工程，给它起个有意义的名字，不多讲了。JBuilder会自动生成两个文件，如，工程名为comm，就会生成文件commApplication和commFrame。

 

2）选择Tools菜单，选择Configure Libraries…，如图1所示。

 

3）点击New按钮，为JBuilder增加一个函数库。如图2，点击OK即可。

 

4）下一步为你的工程增加这个库函数，以便你在工程里调用它们。选择Project菜单中的Project Properities选项，左侧选中Paths，右侧选中Required Libraries，单击Add，出现一个小的对话框，选择我们刚才增加的comm函数库，如图3，点击OK两次即可。

 

现在环境已经配置好了，我们要开始正式工作了。

 

 

图2 Configure Library

 

 

 

图2 New Librariy Wizard

 

 

图3 Select comm. Library

 

 

 

3 程序开发（JBuilderX）

 

 

 

1．  与51单片机交互信息，数据库存取（Data）

 

为了保证数据传输的顺利进行，单片机与PC之间通讯要建立一个协议，在本实例中，采用如下协议：

 

程序打开串口后，程序发送“启始”符（0x01）表示通讯开始。

 

通讯开始后，程序就开始发送和接收数据包，数据包以“结束”符（0x00，0x0D, 0x0A）表示结尾。由于单片机受控于PC机，所以单片机一般不主动发送数据，只有在PC机发送一个“命令”，它才会发送一个“回应”。

 

如果程序“停止”符（0x00），则通讯结束。

 

2．  界面设计（View）

 

这部分设计主程序的视图，即使用者看到的部分，包括按钮，下拉菜单，文字编辑框等。

 

为了程序的可读性，我们将所有的视图从主程序中分离出来，作成Bean的形式，然后在主程序中调用它们。Java提供了五种布局管理形式FlowLayout,，GridLayout， GridBagLayout， BorderLayout,，CardLayout。灵活的运用这些布局，可以达到各种各样的效果，其中GridBagLayout功能强大，使用灵活，本文主要采用这种布局。

 

3．  主程序设计（Control）

 

这部分设计程序的实现方法，逻辑步骤。

 

1）首先定义串口，输入输出流等，如下所示：

 

package comm;

 

 

 

import java.awt.*;

 

import java.awt.event.*;

 

import javax.swing.*;

 

import javax.comm.*;//包含comm类包，才能使用其API函数

 

import java.io.*;

 

import java.util.*;

 

 

 

public class CommFrame extends JFrame implements Runnable, SerialPortEventListener {

 

  JPanel contentPane; //定义一个JPanel，将视图Bean包含进来

 

  BorderLayout borderLayout1 = new BorderLayout();

 

  IOBean ioBean = new IOBean();//右侧视图Bean类事例化

 

  ControlBean controlBean = new ControlBean();//左侧视图Bean类事例化

 

 

 

  //Communination define

 

  static CommPortIdentifier portName;//定义串口

 

  int portId;

 

  static Enumeration portList;

 

  InputStream inputStream;//定义输入流

 

  OutputStream outputStream;//定义输出流

 

  SerialPort serialPort;

 

  Thread readThread;//定义一个线程，程序全双工通讯

 

  static String TimeStamp;

 

 

 

 

 

  //Construct the frame

 

  public CommFrame() {

 

    enableEvents(AWTEvent.WINDOW_EVENT_MASK);

 

    try {

 

      jbInit();//程序初始化

 

      commInit();//串口初始化

 

    }catch(Exception e) {

 

      e.printStackTrace();

 

    }

 

  }

 

 

 

private void jbInit() throws Exception  {……}

 

public void commInit() {……}

 

public void commClose() {……}

 

 

 

public void commWrite() {……}

 

public void CommRead() {……}

 

public void run() {……}

 

public void serialEvent(SerialPortEvent event) {…….}//代码如下

 

 

 

 

 

//Overridden so we can exit when window is closed

 

  protected void processWindowEvent(WindowEvent e) {

 

    super.processWindowEvent(e);

 

    if (e.getID() == WindowEvent.WINDOW_CLOSING) {

 

      commClose();

 

      System.exit(0);

 

    }

 

  }

 

}

 

2）串口初始化，首先监测串口是否被占用，如果没有被占用则打开串口。打开输入输出流以便下面的程序从串口读写数据，定义串口的波特率，位数，停止位，奇偶校验，在使用过程中可以改变这些内容以适应不同的需求。

 

public void commInit() {

 

    //Communination ports owned or not

 

    portId = 1;

 

    try{

 

      portList = CommPortIdentifier.getPortIdentifiers();

 

      while (portList.hasMoreElements()) {

 

        portName = (CommPortIdentifier) portList.nextElement();

 

        if (portName.getPortType() == CommPortIdentifier.PORT_SERIAL) {

 

          if (portName.isCurrentlyOwned()) {//串口是否被占用

 

  ioBean.Receiver.append("\nCOM"+portId+"Ownedby"+ portName.getCurrentOwner());

 

            TimeStamp = new java.util.Date().toString();

 

            portId ++;

 

          }else if (portName.getName().equals("COM" + portId)) {

 

            break;

 

          }

 

        }

 

      }

 

      //Communination ports init

 

      try {

 

  serialPort = (SerialPort) portName.open("Gooseli_MCU_Control_App", 2000);//打开串口

 

        controlBean.CommPortID.setText("COM" + portId);

 

        controlBean.OnOff.setText("ON");//开关按钮置开状态

 

        controlBean.OnOff.setSelected(true);

 

        TimeStamp = new java.util.Date().toString();

 

  System.out.println(TimeStamp + ": msg2 - SerialPort COM" + portId + " is opend");

 

  ioBean.Receiver.append("\nCOM" + portId + " is opend");//显示区域显示串口被打开

 

      } catch (PortInUseException e) {

 

        System.out.println(e);

 

        ioBean.Receiver.append("\nCOM" + portId + " " + e);

 

      }

 

      try {

 

        inputStream = serialPort.getInputStream();//打开输入流

 

      } catch (IOException e) {}

 

      try {

 

        outputStream = serialPort.getOutputStream();

 

        outputStream.write((byte)0x01);//向串口写入启始符开始传送数据包

 

        ioBean.Receiver.setText("\nCOM" + portId + ">>" + "Start");

 

        controlBean.begin.setSelected(true);

 

      } catch (IOException e) {}

 

      try {

 

        serialPort.setSerialPortParams(9600,//波特率

 

                                       SerialPort.DATABITS_8,//数据位

 

                                       SerialPort.STOPBITS_1,//停止位

 

                                       SerialPort.PARITY_NONE);//校验位

 

      } catch (UnsupportedCommOperationException e) {}

 

      CommRead();//程序开始从串口读数据

 

    }catch(Exception e) {}

 

  }

 

 

 

public void commClose() {

 

    try {

 

      inputStream.close();

 

      outputStream.close();

 

      serialPort.close();

 

      System.out.println(TimeStamp + ": msg2 - SerialPort COM" + portId + " is closing");

 

      ioBean.Receiver.append("\nCOM" + portId + " is closing");

 

    }catch (Exception e) {

 

       System.out.println(e);

 

    }

 

  }

 

       3）程序初始化，这里定义了一些事件，以便控制程序的运行。例如开始按钮的事件定义如下：

 

private void jbInit() throws Exception  {

 

    contentPane = (JPanel) this.getContentPane();

 

    contentPane.setLayout(borderLayout1);

 

    this.setSize(new Dimension(400, 300));

 

    this.setTitle("Serial Ports Communication Current");

 

 

 

    contentPane.add(ioBean,BorderLayout.CENTER);

 

    contentPane.add(controlBean, BorderLayout.WEST);

 

    controlBean.OnOff.addActionListener(

 

      new ActionListener() {

 

        public void actionPerformed(ActionEvent ae) {

 

          JToggleButton toggle = (JToggleButton) ae.getSource();

 

          if (toggle.isSelected()) {

 

            controlBean.OnOff.setText("ON");

 

            commInit();

 

          } else {

 

            controlBean.OnOff.setText("OFF");

 

            commClose();

 

          }

 

        }

 

      }

 

    );

 

controlBean.begin.addActionListener(

 

            new ActionListener() {

 

            public void actionPerformed(ActionEvent ae) {

 

              JToggleButton toggle = (JToggleButton) ae.getSource();

 

              if (toggle.isSelected()) {//如果按钮被按下，则开始

 

                controlBean.begin.setText("Start");

 

                try {

 

                  outputStream.write((byte)0x01);//发送起始符

 

                  ioBean.Receiver.setText("\nCOM" + portId + " " + "Start");

 

                } catch (IOException e) {}

 

              } else {//如果按纽复位

 

                 controlBean.begin.setText("Stop");

 

                 try {

 

                 outputStream.write((byte)0x00);//发送结束符

 

                 ioBean.Receiver.append("\nCOM" + portId + " " + "Stop");

 

                } catch (IOException e) {}

 

              }

 

            }

 

          }

 

);

 

    ioBean.jButton2.addActionListener(

 

      new ActionListener() {

 

        public void actionPerformed(ActionEvent ae) {

 

          commWrite();

 

        }

 

      }

 

    );

 

  }

 

4）读写串口，使用多线程，实现全双工通讯。主函数CommFrame实现了Runnable接口，在程序中只需要重写run函数即可实现多线程。

 

public void commWrite() {

 

    String outString = ioBean.jTextField1.getText();

 

    if (outString.equals("clear")) {

 

      ioBean.Receiver.setText("\nCOM" + portId +" Receive:");

 

    }

 

    ioBean.jTextField1.setText("Gooseli:");

 

    try {

 

      //outputStream.write((byte)0x01);

 

      outputStream.write(outString.getBytes());

 

      outputStream.write((byte)0x0D);

 

      //outputStream.write((byte)0x00);

 

      ioBean.Receiver.setText("\nCOM" + portId + ">>" + outString);

 

    } catch (IOException e) {}

 

  }

 

public void CommRead() {

 

    try {

 

      serialPort.addEventListener(this);

 

    } catch (TooManyListenersException e) {}

 

    serialPort.notifyOnDataAvailable(true);

 

    readThread = new Thread(this);

 

    readThread.start();

 

  }

 

 

 

  public void run() {

 

    try {

 

      Thread.sleep(20000);

 

    }

 

    catch (InterruptedException e) {}

 

  }

 

 

 

  public void serialEvent(SerialPortEvent event) {

 

    switch(event.getEventType()) {

 

      case SerialPortEvent.BI:

 

      case SerialPortEvent.OE:

 

      case SerialPortEvent.FE:

 

      case SerialPortEvent.PE:

 

      case SerialPortEvent.CD:

 

      case SerialPortEvent.CTS:

 

      case SerialPortEvent.DSR:

 

      case SerialPortEvent.RI:

 

      case SerialPortEvent.OUTPUT_BUFFER_EMPTY:

 

        break;

 

      case SerialPortEvent.DATA_AVAILABLE:

 

        StringBuffer readBuffer = new StringBuffer();

 

        String scannedInput = null;

 

        int c;

 

        try {

 

          while ((c = inputStream.read()) != 0x00 && c != 0x0D && c != 0x0A) {

 

            readBuffer.append( (char) c);//数据包以回车或者换行表示结束

 

          }

 

          scannedInput = readBuffer.toString();

 

          ioBean.Receiver.append("\n" + scannedInput);

 

          TimeStamp = new java.util.Date().toString();

 

          System.out.println(TimeStamp + ": scanned input received:" + scannedInput);

 

 

 

          inputStream.close();

 

        } catch (IOException e) {}

 

        break;

 

    }

 

  }

 

4．  测试程序

 

程序运行后如图四所示。

 

为了方便程序运行，我们作一个批处理文件，和程序生成的jar文件放在一个目录里，这样就可以很方便的在含有Java虚拟机的系统里运行我们的程序了。可以将JBuilder运行窗口（Messages）的信息直接拷贝过来，当然也可以自己建立。

 

我的批处理文件如下所示：

 

@echo off

 

@REM 设置路径包括Java虚拟机和程序jar文件路径

 

set path=%JAVA_HOME%\bin

 

set classpath=%cd%\comm.jar

 

@REM 运行程序，注意在主程序前增加包名，否则找不到主函数

 

echo Now initializing the program,please wait a minite...

 

java comm.CommApplication

 

 

图4 Test my programme

 

 

 

4 展望

 

Java作为一个逐渐成熟的程序设计语言，在网络和嵌入式系统越来越多地得到广泛的应用，但是微机底层程序开发发展缓慢。本文应用Java作为串口上位机程序开发语言，是考虑到Java语言的各种优越性，主要是其平台无关性，强大的可移植性，这一点在不久的将来会受到更多的重视。

 

本文代码可免费使用，如果需要本文程序的源代码，请于本作者联系，[email protected]。

 

 

 

参考资料：

 

1．  A How-To on Accessing serial ports in the Windows environment using the Java Communications API， By Rick Proctor，www.borland.com ，2004年3月14日，http://bdn.borland.com/article/0,1410,31915,00.html

 

2．  The Java Communications API Documentations，www.sun.com，2004年11月

 

3．   JBuilder 9集成开发实例解析，张洪斌编，机械工业出版社，2004年1月

 

4．  精通JBuilder 9，飞思科技产品研发中心编，电子工业出版社，2003年8月

 

5．  单片微机原理及应用，丁元杰、赵秀菊、陈瀛清编，机械工业出版社，1999年8月