串行通信的基本原理及用MFC实现串口通信编程通信编程实现原理基本串口//数据操作线程

在Windows应用程序的开发中，我们常常需要面临与外围数据源设备通信的问题。计算机和单片机（如MCS-51）都具有串行通信口，可以设计相应的串口通信程序，完成二者之间的数据通信任务。

　　实际工作中利用串口完成通信任务的时候非常之多。已有一些文章介绍串口编程的文章在计算机杂志上发表。但总的感觉说来不太全面，特别是介绍32位下编程的更少，且很不详细。笔者在实际工作中积累了较多经验,结合硬件、软件，重点提及比较新的技术，及需要注意的要点作一番探讨。希望对各位需要编写串口通信程序的朋友有一些帮助。

一．串行通信的基本原理

串行端口的本质功能是作为CPU和串行设备间的编码转换器。当数据从CPU经过串行端口发送出去时，字节数据转换为串行的位。在接收数据时，串行的位被转换为字节数据。

在Windows环境（WindowsNT、Win98、Windows2000）下，串口是系统资源的一部分。

应用程序要使用串口进行通信，必须在使用之前向操作系统提出资源申请要求（打开串口），通信完成后必须释放资源（关闭串口）。

串口通信程序的流程如下图：

二．串口信号线的接法

一个完整的RS-232C接口有22根线，采用标准的25芯插头座（或者9芯插头座）。25芯和9芯的主要信号线相同。以下的介绍是以25芯的RS-232C为例。

①主要信号线定义：

　　　　2脚：发送数据TXD；3脚：接收数据RXD；4脚：请求发送RTS；5脚：清除发送CTS；

　　　　6脚：数据设备就绪DSR；20脚：数据终端就绪DTR；8脚：数据载波检测DCD；

1脚：保护地；　　7脚：信号地。

②电气特性：

数据传输速率最大可到20Kbps,最大距离仅15m.

注：看了微软的MSDN6.0，其WindowsAPI中关于串行通讯设备（不一定都是串口RS-232C或RS-422或RS-449）速率的设置，最大可支持到RS_256000，即256Kbps!也不知道到底是什么串行通讯设备？但不管怎样，一般主机和单片机的串口通讯大多都在9600bps,可以满足通讯需求。

③接口的典型应用：

大多数计算机应用系统与智能单元之间只需使用3到5根信号线即可工作。这时，除了TXD、RXD以外，还需使用RTS、CTS、DCD、DTR、DSR等信号线。（当然，在程序中也需要对相应的信号线进行设置。）

　　以上接法，在设计程序时，直接进行数据的接收和发送就可以了，不需要　　对信号线的状态进行判断或设置。（如果应用的场合需要使用握手信号等，需要对相应的信号线的状态进行监测或设置。）

三．16位串口应用程序的简单回顾

　　16位串口应用程序中，使用的16位的WindowsAPI通信函数:

①OpenComm()打开串口资源，并指定输入、输出缓冲区的大小（以字节计）；

　　CloseComm()关闭串口;

　　例：intidComDev;

idComDev=OpenComm("COM1",1024,128);

CloseComm(idComDev);

②BuildCommDCB()、setCommState()填写设备控制块DCB，然后对已打开的串口进行参数配置;

　　例：DCBdcb;

BuildCommDCB("COM1:2400,n,8,1",&dcb);

SetCommState(&dcb);

③ReadComm、WriteComm()对串口进行读写操作，即数据的接收和发送.

　　例：char*m_pRecieve;intcount;

　　　　ReadComm(idComDev,m_pRecieve,count);

　　　　Charwr[30];intcount2;

　　　　WriteComm(idComDev,wr,count2);

16位下的串口通信程序最大的特点就在于：串口等外部设备的操作有自己特有的API函数；而32位程序则把串口操作（以及并口等）和文件操作统一起来了，使用类似的操作。

四．在MFC下的32位串口应用程序

32位下串口通信程序可以用两种方法实现：利用ActiveX控件；使用API通信函数。

使用ActiveX控件，程序实现非常简单，结构清晰，缺点是欠灵活；使用API通信函数的优缺点则基本上相反。

以下介绍的都是在单文档（SDI）应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控件通过串行端口发送和接收数据，为应用程序提供串行通信功能。使用非常方便，但可惜的是，很少有介绍MSComm控件的资料。

　　⑴．在当前的Workspace中插入MSComm控件。

　　Project菜单------>AddtoProject---->ComponentsandControls----->Registered

　　ActiveXControls--->选择Components:MicrosoftCommunicationsControl,

　　version6.0插入到当前的Workspace中。

结果添加了类CMSComm(及相应文件：mscomm.h和mscomm.cpp)。

　　⑵．在MainFrm.h中加入MSComm控件。

protected:

　　CMSCommm_ComPort;

在Mainfrm.cpp::OnCreare()中：

　　DWORDstyle=WS_VISIBLE|WS_CHILD;

　　if(!m_ComPort.Create(NULL,style,CRect(0,0,0,0),this,ID_COMMCTRL)){

TRACE0("FailedtocreateOLECommunicationsControl");

return-1;　　//failtocreate

　　　　}

　　⑶.初始化串口

m_ComPort.SetCommPort(1);　　//选择COM?

m_ComPort.SetInBufferSize(1024);//设置输入缓冲区的大小，Bytes

m_ComPort.SetOutBufferSize(512);//设置输入缓冲区的大小，Bytes//

if(!m_ComPort.GetPortOpen())//打开串口

m_ComPort.SetPortOpen(TRUE);

m_ComPort.SetInputMode(1);//设置输入方式为二进制方式

m_ComPort.SetSettings("9600,n,8,1");//设置波特率等参数

m_ComPort.SetRThreshold(1);//为1表示有一个字符引发一个事件

　　　　m_ComPort.SetInputLen(0);

⑷．捕捉串口事项。MSComm控件可以采用轮询或事件驱动的方法从端口获取数据。我们介绍比较使用的事件驱动方法：有事件（如接收到数据）时通知程序。在程序中需要捕获并处理这些通讯事件。

在MainFrm.h中：

protected:

afx_msgvoidOnCommMscomm();

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．串口读写.完成读写的函数的确很简单，GetInput()和SetOutput()就可。两个函数的原型是：

VARIANTGetInput()；及voidSetOutput(constVARIANT&newValue);都要使用VARIANT类型（所有Idispatch::Invoke的参数和返回值在内部都是作为VARIANT对象处理的）。

无论是在PC机读取上传数据时还是在PC机发送下行命令时，我们都习惯于使用字符串的形式（也可以说是数组形式）。查阅VARIANT文档知道，可以用BSTR表示字符串，但遗憾的是所有的BSTR都是包含宽字符，即使我们没有定义_UNICODE_UNICODE也是这样！WinNT支持宽字符,而Win95并不支持。为解决上述问题，我们在实际工作中使用CbyteArray，给出相应的部分程序如下：

　　　　voidCMainFrame::OnCommMscomm(){

　　　　VARIANTvResponse;　　intk;

if(m_commCtrl.GetCommEvent()==2){　　　　　　

k=m_commCtrl.GetInBufferCount();//接收到的字符数目

if(k>0){

vResponse=m_commCtrl.GetInput();//read

SaveData(k,(unsignedchar*)vResponse.parray->pvData);

}//接收到字符，MSComm控件发送事件}

　　。。。。。//处理其他MSComm控件

}

voidCMainFrame::OnCommSend(){

。。。。。。。。//准备需要发送的命令，放在TxData[]中

CByteArrayarray;

array.RemoveAll();

array.SetSize(Count);

for(i=0;i
array.SetAt(i,TxData[i]);

　　m_ComPort.SetOutput(COleVariant(array));//发送数据

}

请大家认真关注第⑷、⑸中内容，在实际工作中是重点、难点所在。

㈡使用32位的API通信函数:

可能很多朋友会觉得奇怪：用32位API函数编写串口通信程序，不就是把16位的API换成32位吗？16位的串口通信程序可是多年之前就有很多人研讨过了……

此文主要想介绍一下在API串口通信中如何结合非阻塞通信、多线程等手段，编写出高质量的通信程序。特别是在CPU处理任务比较繁重、与外围设备中有大量的通信数据时，更有实际意义。

⑴．在中MainFrm.cpp定义全局变量

HANDLE　　　　hCom;//准备打开的串口的句柄

HANDLE　　　　hCommWatchThread;//辅助线程的全局函数

⑵．打开串口，设置串口

hCom=CreateFile("COM2",GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,//允许读写

　　　　　　　　0,　　　　　　　　　　//此项必须为0

　　　　　　　　NULL,　　　　　　　　//nosecurityattrs

　　　　　　　　OPEN_EXISTING,　　　　//设置产生方式

　　　　　　　　FILE_FLAG_OVERLAPPED,//我们准备使用异步通信

　　　　　　　　NULL);

请大家注意，我们使用了FILE_FLAG_OVERLAPPED结构。这正是使用API实现非阻塞通信的关键所在。

ASSERT(hCom!=INVALID_HANDLE_VALUE);//检测打开串口操作是否成功

SetCommMask(hCom,EV_RXCHAR|EV_TXEMPTY);//设置事件驱动的类型

SetupComm(hCom,1024,512);//设置输入、输出缓冲区的大小

PurgeComm(hCom,PURGE_TXABORT|PURGE_RXABORT|PURGE_TXCLEAR

　　　　　　　　　　|PURGE_RXCLEAR);//清干净输入、输出缓冲区

COMMTIMEOUTSCommTimeOuts;//定义超时结构，并填写该结构

　　…………

SetCommTimeouts(hCom,&CommTimeOuts);//设置读写操作所允许的超时

DCB　　　　dcb;//定义数据控制块结构

GetCommState(hCom,&dcb);//读串口原来的参数设置

dcb.BaudRate=9600;dcb.ByteSize=8;dcb.Parity=NOPARITY;

dcb.StopBits=ONESTOPBIT;dcb.fBinary=TRUE;dcb.fParity=FALSE;

SetCommState(hCom,&dcb);//串口参数配置

上述的COMMTIMEOUTS结构和DCB都很重要，实际工作中需要仔细选择参数。

⑶启动一个辅助线程，用于串口事件的处理。

Windows提供了两种线程，辅助线程和用户界面线程。区别在于：辅助线程没有窗口，所以它没有自己的消息循环。但是辅助线程很容易编程，通常也很有用。

在次，我们使用辅助线程。主要用它来监视串口状态，看有无数据到达、通信有无错误；而主线程则可专心进行数据处理、提供友好的用户界面等重要的工作。

hCommWatchThread=

　　　　CreateThread((LPSECURITY_ATTRIBUTES)NULL,//安全属性

　　　　　　　　0,//初始化线程栈的大小，缺省为与主线程大小相同

　　　　　　　　(LPTHREAD_START_ROUTINE)CommWatchProc,//线程的全局函数

　　　　　　　　GetSafeHwnd(),//此处传入了主框架的句柄

　　　　　　　　0,&dwThreadID);

　　ASSERT(hCommWatchThread!=NULL);

⑷为辅助线程写一个全局函数，主要完成数据接收的工作。请注意OVERLAPPED结构的使用，以及怎样实现了非阻塞通信。

UINTCommWatchProc(HWNDhSendWnd){

　　DWORDdwEvtMask=0;

　　SetCommMask(hCom,EV_RXCHAR|EV_TXEMPTY);//有哪些串口事件需要监视？

　　WaitCommEvent(hCom,&dwEvtMask,os);//等待串口通信事件的发生

　　检测返回的dwEvtMask，知道发生了什么串口事件：

　　if((dwEvtMask&EV_RXCHAR)==EV_RXCHAR){//缓冲区中有数据到达

　　COMSTATComStat;DWORDdwLength;

　　ClearCommError(hCom,&dwErrorFlags,&ComStat);

　　dwLength=ComStat.cbInQue;//输入缓冲区有多少数据？

　　if(dwLength>0){

BOOLfReadStat;　　

　　fReadStat=ReadFile(hCom,lpBuffer，dwLength,&dwBytesRead;

　　　　　　　　　　　　&READ_OS(npTTYInfo));//读数据

注:我们在CreareFile()时使用了FILE_FLAG_OVERLAPPED,现在ReadFile()也必须使用

　　LPOVERLAPPED结构.否则,函数会不正确地报告读操作已完成了.

　　　　使用LPOVERLAPPED结构,ReadFile()立即返回,不必等待读操作完成,实现非阻塞

　　　　通信.此时,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；

　　　　　　　　　　　　//缓冲区数据没有读完，继续

　　　　　　…………　　　　　　

　　::PostMessage((HWND)hSendWnd,WM_NOTIFYPROCESS,0,0);//通知主线程，串口收到数据　　}

　　所谓的非阻塞通信，也即异步通信。是指在进行需要花费大量时间的数据读写操作（不仅仅是指串行通信操作）时，一旦调用ReadFile()、WriteFile(),就能立即返回，而让实际的读写操作在后台运行；相反，如使用阻塞通信，则必须在读或写操作全部完成后才能返回。由于操作可能需要任意长的时间才能完成，于是问题就出现了。

非常阻塞操作还允许读、写操作能同时进行（即重叠操作?），在实际工作中非常有用。

要使用非阻塞通信，首先在CreateFile()时必须使用FILE_FLAG_OVERLAPPED；然后在ReadFile()时lpOverlapped参数一定不能为NULL，接着检查函数调用的返回值，调用GetLastError()，看是否返回ERROR_IO_PENDING。如是，最后调用GetOverlappedResult()返回重叠操作(overlappedoperation)的结果;WriteFile()的使用类似。

⑸．在主线程中发送下行命令。

BOOL　　fWriteStat;charszBuffer[count];

　　　　　　…………//准备好发送的数据，放在szBuffer[]中

fWriteStat=WriteFile(hCom,szBuffer,dwBytesToWrite,

　　　　　　　　　　&dwBytesWritten,&WRITE_OS(npTTYInfo));//写数据

注:我们在CreareFile()时使用了FILE_FLAG_OVERLAPPED,现在WriteFile()也必须使用　　LPOVERLAPPED结构.否则,函数会不正确地报告写操作已完成了.

　　使用LPOVERLAPPED结构,WriteFile()立即返回,不必等待写操作完成,实现非阻塞通信.此时,WriteFile()返回FALSE,GetLastError()返回ERROR_IO_PENDING.

interr=GetLastError();

if(!fWriteStat){

　　if(GetLastError()==ERROR_IO_PENDING){

　　　　while(!GetOverlappedResult(hCom,&WRITE_OS(npTTYInfo),

　　　　　　　　　　&dwBytesWritten,TRUE)){

　　　　　　dwError=GetLastError();

　　　　　　if(dwError==ERROR_IO_INCOMPLETE){

　　　　　　　　　　//normalresultifnotfinished

　　　　　　　　dwBytesSent+=dwBytesWritten;continue;}

　　　　......................

综上，我们使用了多线程技术，在辅助线程中监视串口，有数据到达时依靠事件驱动，读入数据并向主线程报告（发送数据在主线程中，相对说来，下行命令的数据总是少得多）；并且，WaitCommEvent()、ReadFile()、WriteFile()都使用了非阻塞通信技术，依靠重叠（overlapped）读写操作，让串口读写操作在后台运行。

依托vc6.0丰富的功能，结合我们提及的技术，写出有强大控制能力的串口通信应用程序。就个人而言，我更偏爱API技术，因为控制手段要灵活的多,功能也要强大得多。