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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
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:
HANDLE CreateFile( LPCTSTR lpFileName, DWORD dwDesiredAccess, DWORD dwShareMode, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes, DWORD dwCreationDistribution, DWORD dwFlagsAndAttributes, HANDLE hTemplateFile);
同步I/O方式打开串口的示例代码:
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;
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;
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:
GetCommState函数可以获得COM口的设备控制块,从而获得相关参数:typedef struct _DCB { //……… //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: 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 //ONE5STOPBITS 1.5位停止位 //……… } DCB;
winbase.h文件中定义了以上用到的常量。如下:#define NOPARITY 0 #define ODDPARITY 1 #define EVENPARITY 2 #define ONESTOPBIT 0 #define ONE5STOPBITS 1 #define TWOSTOPBITS 2 #define CBR_110 110 #define CBR_300 300 #define CBR_600 600 #define CBR_1200 1200 #define CBR_2400 2400 #define CBR_4800 4800 #define CBR_9600 9600 #define CBR_14400 14400 #define CBR_19200 19200 #define CBR_38400 38400 #define CBR_56000 56000 #define CBR_57600 57600 #define CBR_115200 115200 #define CBR_128000 128000 #define CBR_256000 256000
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 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 );
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) );
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;
SetupComm(hCom,1024,1024); //输入缓冲区和输出缓冲区的大小都是1024
COMMTIMEOUTS TimeOuts;
GetCommState(hCom, &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);
BOOL PurgeComm( HANDLE hFile, //串口句柄 DWORD dwFlags // 需要完成的操作 );
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:
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, DWORD nNumberOfBytesToRead, // 要读入的数据的字节数 // 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nNumberOfBytesToWrite // 个字节的数据将要写入串口的发送数据缓冲区。 LPCVOID lpBuffer, DWORD nNumberOfBytesToWrite, //要写入的数据的字节数 // 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 );
在重叠操作时,操作还未完成函数就返回。//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);
typedef struct _OVERLAPPED { DWORD Internal; DWORD InternalHigh; DWORD Offset; DWORD OffsetHigh; HANDLE hEvent; } OVERLAPPED;
GetOverlappedResult函数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。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 );
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;
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 );
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;
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:
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;
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;
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:
BOOL CloseHandle(
HANDLE hObject; //handle to object to close
);
为了让您更好地理解串口编程,下面我们分别编写两个例程,这两个例程都实现了工控机与百特显示仪表通过RS485接口进行的串口通信。其中第一个例程采用同步串口操作,第二个例程采用异步串口操作。
我们只介绍软件部分,RS485接口接线方法不作介绍,感兴趣的读者可以查阅相关资料。
例程1
打开VC++6.0,新建基于对话框的工程RS485Comm,在主对话框窗口IDD_RS485COMM_DIALOG上添加两个按钮,ID分别为IDC_SEND和IDC_RECEIVE,标题分别为“发送”和“接收”;添加一个静态文本框IDC_DISP,用于显示串口接收到的内容。
在RS485CommDlg.cpp文件中添加全局变量:
HANDLE hCom; //全局变量,串口句柄在RS485CommDlg.cpp文件中的OnInitDialog()函数添加如下代码:
// TODO: Add extra initialization here 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 == INVALID_HANDLE_VALUE) { AfxMessageBox("打开COM失败!"); return FALSE; } 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 = MAXDWORD; TimeOuts.ReadTotalTimeoutMultiplier = 0; TimeOuts.ReadTotalTimeoutConstant = 0; //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。 //设定写超时 TimeOuts.WriteTotalTimeoutMultiplier = 100; TimeOuts.WriteTotalTimeoutConstant = 500; 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);
void CRS485CommDlg::OnSend() { // TODO: Add your control notification handler code here // 在此需要简单介绍百特公司XMA5000的通讯协议: //该仪表RS485通讯采用主机广播方式通讯。 //串行半双工,帧11位,1个起始位(0),8个数据位,2个停止位(1) //如:读仪表显示的瞬时值,主机发送:DC1 AAA BB ETX //其中:DC1是标准ASCII码的一个控制符号,码值为11H(十进制的17) //在XMA5000的通讯协议中,DC1表示读瞬时值 //AAA是从机地址码,也就是XMA5000显示仪表的通讯地址 //BB为通道号,读瞬时值时该值为01 //ETX也是标准ASCII码的一个控制符号,码值为03H //在XMA5000的通讯协议中,ETX表示主机结束符 char lpOutBuffer[7]; memset(lpOutBuffer,'\0', 7); //前7个字节先清零 lpOutBuffer[0] = '\x11'; //发送缓冲区的第1个字节为DC1 lpOutBuffer[1] = '0'; //第2个字节为字符0(30H) lpOutBuffer[2] = '0'; //第3个字节为字符0(30H) lpOutBuffer[3] = '1'; // 第4个字节为字符1(31H) lpOutBuffer[4] = '0'; //第5个字节为字符0(30H) lpOutBuffer[5] = '1'; //第6个字节为字符1(31H) lpOutBuffer[6] = '\x03'; //第7个字节为字符ETX //从该段代码可以看出,仪表的通讯地址为001 DWORD dwBytesWrite = 7; 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!"); } }
void CRS485CommDlg::OnReceive() { // TODO: Add your control notification handler code here char str[100]; memset(str, '\0', 100); DWORD wCount = 100;//读取的字节数 BOOL bReadStat; bReadStat = ReadFile(hCom,str,wCount,&wCount,NULL); if (!bReadStat) AfxMessageBox("读串口失败!"); PurgeComm(hCom, PURGE_TXABORT| PURGE_RXABORT|PURGE_TXCLEAR|PURGE_RXCLEAR); m_disp = str; UpdateData(FALSE); }
void CRS485CommDlg::OnClose() { // TODO: Add your message handler code here and/or call default CloseHandle(hCom); //程序退出时关闭串口 CDialog::OnClose(); }
例程2
打开VC++6.0,新建基于对话框的工程RS485Comm,在主对话框窗口IDD_RS485COMM_DIALOG上添加两个按钮,ID分别为IDC_SEND和IDC_RECEIVE,标题分别为“发送”和“接收”;添加一个静态文本框IDC_DISP,用于显示串口接收到的内容。在RS485CommDlg.cpp文件中添加全局变量:
HANDLE hCom; //全局变量
串口句柄在RS485CommDlg.cpp文件中的OnInitDialog()函数添加如下代码:
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; } SetupComm(hCom, 1024, 1024); //输入缓冲区和输出缓冲区的大小都是100 COMMTIMEOUTS TimeOuts; //设定读超时 TimeOuts.ReadIntervalTimeout = MAXDWORD; TimeOuts.ReadTotalTimeoutMultiplier = 0; TimeOuts.ReadTotalTimeoutConstant = 0; //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。 //设定写超时 TimeOuts.WriteTotalTimeoutMultiplier = 100; TimeOuts.WriteTotalTimeoutConstant = 500; 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);
void CRS485CommDlg::OnSend() { // TODO: Add your control notification handler code here OVERLAPPED m_osWrite; memset(&m_osWrite,0,sizeof(OVERLAPPED)); m_osWrite.hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL); char lpOutBuffer[7]; memset(lpOutBuffer, '\0', 7); lpOutBuffer[0] = '\x11'; lpOutBuffer[1] = '0'; lpOutBuffer[2] = '0'; lpOutBuffer[3] = '1'; lpOutBuffer[4] = '0'; lpOutBuffer[5] = '1'; lpOutBuffer[6] = '\x03'; DWORD dwBytesWrite = 7; COMSTAT ComStat; DWORD dwErrorFlags; BOOL bWriteStat; ClearCommError(hCom, &dwErrorFlags, &ComStat); bWriteStat = WriteFile(hCom,lpOutBuffer, dwBytesWrite,& dwBytesWrite,&m_osWrite); if (!bWriteStat) { if(GetLastError() == ERROR_IO_PENDING) { WaitForSingleObject(m_osWrite.hEvent, 1000); } } } void CRS485CommDlg::OnReceive() { // TODO: Add your control notification handler code here OVERLAPPED m_osRead; memset(&m_osRead,0,sizeof(OVERLAPPED)); m_osRead.hEvent=CreateEvent(NULL,TRUE,FALSE,NULL); COMSTAT ComStat; DWORD dwErrorFlags; char str[100]; memset(str,''\0'',100); DWORD dwBytesRead=100;//读取的字节数 BOOL bReadStat; ClearCommError(hCom,&dwErrorFlags,&ComStat); dwBytesRead = min(dwBytesRead, (DWORD)ComStat.cbInQue); bReadStat = ReadFile(hCom,str, dwBytesRead,&dwBytesRead,&m_osRead); if(!bReadStat) { 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); m_disp = str; UpdateData(FALSE); }
void CRS485CommDlg::OnClose() { // TODO: Add your message handler code here and/or call default CloseHandle(hCom); //程序退出时关闭串口 CDialog::OnClose(); }