串行通信的基本原理及用MFC实现串口通信编程

       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（Windows NT、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20K bps,最大距离仅15m.

注：看了微软的MSDN 6.0，其Windows API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256K bps! 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9600 bps,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Windows API通信函数:

① OpenComm() 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：int idComDev;

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

CloseComm(idComDev);

② BuildCommDCB() 、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：DCB dcb;

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

SetCommState(&dcb);

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

　　 例：char *m_pRecieve; int count;

　　　　 ReadComm(idComDev,m_pRecieve,count);

　　　　 Char wr[30]; int count2;

　　　　 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------>Add to Project---->Components and Controls----->Registered

　　 ActiveX Controls--->选择Components: Microsoft Communications Control,

　　 version 6.0 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:

　　 CMSComm m_ComPort;

在Mainfrm.cpp::OnCreare()中：

　　DWORD style=WS_VISIBLEWS_CHILD;

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

TRACE0("Failed to create OLE Communications Control ");

return -1;　　 // fail to create

　　　　}

　　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_msg void OnCommMscomm();

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：

VARIANT GetInput()；及 void SetOutput(const VARIANT& 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：

　　　　void CMainFrame::OnCommMscomm(){

　　　　 VARIANT vResponse;　　 int k;

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,(unsigned char*) vResponse.parray->pvData);

} // 接收到字符，MSComm控件发送事件 }

　　 。。。。。 // 处理其他MSComm控件

}

void CMainFrame::OnCommSend() {

。。。。。。。。 // 准备需要发送的命令，放在TxData[]中

CByteArray array;

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,　　　　　　　　 // no security attrs

　　　　　　　　 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_RXCHAREV_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

COMMTIMEOUTS CommTimeOuts ; //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。

UINT CommWatchProc(HWND hSendWnd){

　　DWORD dwEvtMask=0 ;

　　SetCommMask( hCom, EV_RXCHAREV_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

　　COMSTAT ComStat ; DWORD dwLength;

　　ClearCommError(hCom, &dwErrorFlags, &ComStat ) ;

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

　　if (dwLength > 0) {

BOOL fReadStat ;　　

　　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(overlapped operation)的结果;WriteFile()的使用类似。

⑸．在主线程中发送下行命令。

BOOL　　fWriteStat ; char szBuffer[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.

int err=GetLastError();

if (!fWriteStat) {

　　 if(GetLastError() == ERROR_IO_PENDING){

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

　　　　　　　　　　 &dwBytesWritten, TRUE )) {

　　　　　　dwError = GetLastError();

　　　　　　if(dwError == ERROR_IO_INCOMPLETE){

　　　　　　　　　　 // normal result if not finished

　　　　　　　　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。