上位机下位机串口通信设计详解

串行接口是一种可以将接受来自CPU的并行数据字符转换为连续的串行数据流发送出去，同时可将接受的串行数据流转换为并行的数据字符供给CPU的器件。一般完成这种功能的电路，我们称为串行接口电路。

　　串口通信结构

　　串口通信是指外设和计算机间，通过数据信号线 、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，但其传输速度比并行传输低。

串口是计算机上一种非常通用的设备通信协议。大多数计算机（不包括笔记本电脑）包含两个基于RS-232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。

　　RS-232（ANSI/EIA-232标准）是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准。可用于许多用途，比如连接鼠标、打印机或者Modem，同时也可以接工业仪器仪表。用于驱动和连线的改进，实际应用中RS-232的传输长度或者速度常常超过标准的值。RS-232只限于PC串口和设备间点对点的通信。RS-232串口通信最远距离是50英尺。

　　串口通信

　　串口通信是在工程应用中很常见。在上位机与下位机通讯过程中常通过有线的串口进行通信，在低速传输模式下串口通信得到广泛使用。在说个之前先来简单解释一下上位机与下位机的概念。

　　上位机与下位机设计

通常上位机指的是PC，下位机指的是单片机或者带微处理器的系统。下位机一般是将模拟信号经过AD采集将模拟量转换为数字量，下位机再经过数字信号处理以后将数字信号通过串口发送到上位机，相反上位机可以给下位机发送一些指令或者信息。常见的通信串口包括RS232、RS485、RS422等。这些串口只是在电平特性有所不同，在上位机与下位机进行数据通信时可以不考虑电平特性，而且现在在硬件上有各种转接接口，使用起来也很方便。

　　当然在通常做简单的串口UART实验时我们可以使用各种各样的串口助手小软件，但是这些串口小工具有时候并不能很好满足需求，那就尝试着自己写一套属于自己的串口助手？接下来说说如何使用java实现上位机与下位机之间的RS485串口通信。

　　step 1：下载支持java串口通信的jar包，这里给出下载地址：

　　http://files.cnblogs.com/files/Dreamer-1/mfz-rxtx-2.2-20081207-win-x86.zip（32bit 下载地址）

　　http://files.cnblogs.com/files/Dreamer-1/mfz-rxtx-2.2-20081207-win-x64.zip （64位下载地址）

　　对以上的版本解释一下，因为本人在这里踩了一个坑，32位或者64位是与ecplise/myecplise一致，要是版本弄错了会报错。

　　step 2：下载了那个jar包解压后会出现以下内容：

　这个文件夹里面需要注意两点：jar包RXTXcomm需要导入到java工程里面去。另外就是需要将rxtxParallel.dll与rxtxSerial.dll复制在安装JDK的bin文件下和jre的bin文件夹下面，这样才能保证能够正常使用这个jar包。以下是将两个dll文件复制的位置：

　　C：Program Files （x86）Javajdk1.8.0_25in

　　C：Program Files （x86）Javajdk1.8.0_25jrein12

　　怎么讲jar包导入java工程里面就是比较简单的操作，可以参考：http://jingyan.baidu.com/arTIcle/ca41422fc76c4a1eae99ed9f.html

　　step 3：RXTXComm Api如何使用

　　接下来就是使用该导入jar包进行编码实现串口通信的功能了。在编码之前先来理一理串口通信的主要环节，本人总结主要分为以下几点：

　　1）计算机首先需要进行硬件check，查找是否有可用的COM端口，并对该对端口进行简要判断，包括这些端口是否是串口，是否正在使用。以下是部分主要代码：

　　/*类方法 不可改变 不接受继承

　　* 扫描获取可用的串口

　　* 将可用串口添加至list并保存至list

　　*/

　　public staTIc final ArrayList《String》 uartPortUseAblefind（）

　　{

　　//获取当前所有可用串口

　　//由CommPorTIdenTIfier类提供方法

　　Enumeration《CommPortIdentifier》 portList=CommPortIdentifier.getPortIdentifiers（）;

　　ArrayList《String》 portNameList=new ArrayList（）;

　　//添加并返回ArrayList

　　while（portList.hasMoreElements（））

　　{

　　String portName=portList.nextElement（）.getName（）;

　　portNameList.add（portName）;

　　}

　　return portNameList;

　　}123456789101112131415161718

　　以下是测试类的测试实例：

　　ArrayList《String》 arraylist=UARTParameterSetup.uartPortUseAblefind（）;

　　int useAbleLen=arraylist.size（）;

　　if（useAbleLen==0）

　　{

　　System.out.println（“没有找到可用的串口端口，请check设备！”）;

　　}

　　else

　　{

　　System.out.println（“已查询到该计算机上有以下端口可以使用：”）;

　　for（int index=0;index《arraylist.size（）;index++）

　　{

　　System.out.println（“该COM端口名称：”+arraylist.get（index））;

　　//测试串口配置的相关方法

　　}

　　} 123456789101112131415

　　2）通过计算机对串口的自检后，可以对串口参数进行简单的配置。常见的配置可以从常见的串口助手中得到启发。以下是一个串口助手的人机交换界面：

以下是对串口设置主要代码：

　　/*

　　* 串口常见设置

　　* 1）打开串口

　　* 2）设置波特率 根据单板机的需求可以设置为57600 。。。

　　* 3）判断端口设备是否为串口设备

　　* 4）端口是否占用

　　* 5）对以上条件进行check以后返回一个串口设置对象new UARTParameterSetup（）

　　* 6）return：返回一个SerialPort一个实例对象，若判定该com口是串口则进行参数配置

　　* 若不是则返回SerialPort对象为null

　　*/

　　public static final SerialPort portParameterOpen（String portName，int baudrate）

　　{

　　SerialPort serialPort=null;

　　try

　　{ //通过端口名识别串口

　　CommPortIdentifier portIdentifier = CommPortIdentifier.getPortIdentifier（portName）;

　　//打开端口并设置端口名字 serialPort和超时时间 2000ms

　　CommPort commPort=portIdentifier.open（portName，1000）;

　　//进一步判断comm端口是否是串口 instanceof

　　if（commPort instanceof SerialPort）

　　{

　　System.out.println（“该COM端口是串口！”）;

　　//进一步强制类型转换

　　serialPort=（SerialPort）commPort;

　　//设置baudrate 此处需要注意：波特率只能允许是int型 对于57600足够

　　//8位数据位

　　//1位停止位

　　//无奇偶校验

　　serialPort.setSerialPortParams（baudrate， SerialPort.DATABITS_8，SerialPort.STOPBITS_1， SerialPort.PARITY_NONE）;

　　//串口配制完成 log

　　System.out.println（“串口参数设置已完成，波特率为”+baudrate+“，数据位8bits，停止位1位，无奇偶校验”）;

　　}

　　//不是串口

　　else

　　{

　　System.out.println（“该com端口不是串口，请检查设备！”）;

　　//将com端口设置为null 默认是null不需要操作

　　}

　　}

　　catch （NoSuchPortException e）

　　{

　　e.printStackTrace（）;

　　}

　　catch （PortInUseException e）

　　{

　　e.printStackTrace（）;

　　}

　　catch （UnsupportedCommOperationException e）

　　{

　　e.printStackTrace（）;

　　}

　　return serialPort;

　　}12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455

　　以上代码就是返回一个对象，同时也返回了对象属性，因为对象在java里面是属于传值引用。对以上需要说明的是：在实验时需要连接串口才能让计算机检测到才能让程序工作，这里使用的是RS485转接线：

3）通过以上两个步骤后基本对串口的设置也完成了，对于串口类型的确认例如：RS232/RS485/RS422等，可以作为进一步确认的条件。RS485可以在gnu.io中找到。

　接下来就是上位机与下位机之间的双向通信的功能实现了。该部分主要是利用java的输入输出流来实现。以下是主要代码：

　　/*

　　* 串口数据发送以及数据传输作为一个类

　　* 该类做主要实现对数据包的传输至下单板机

　　*/

　　class DataTransimit

　　{

　　/*

　　* 上位机往单板机通过串口发送数据

　　* 串口对象 seriesPort

　　* 数据帧：dataPackage

　　* 发送的标志：数据未发送成功抛出一个异常

　　*/

　　public static void uartSendDatatoSerialPort（SerialPort serialPort，byte［］ dataPackage）

　　{

　　OutputStream out=null;

　　try

　　{

　　out=serialPort.getOutputStream（）;

　　out.write（dataPackage）;

　　out.flush（）;

　　} catch （IOException e）

　　{

　　e.printStackTrace（）;

　　}finally

　　{

　　//关闭输出流

　　if（out！=null）

　　{

　　try

　　{

　　out.close（）;

　　out=null;

　　System.out.println（“数据已发送完毕！”）;

　　} catch （IOException e）

　　{

　　e.printStackTrace（）;

　　}

　　}

　　}

　　}

　　/*

　　* 上位机接收数据

　　* 串口对象seriesPort

　　* 接收数据buffer

　　* 返回一个byte数组

　　*/

　　public static byte［］ uartReceiveDatafromSingleChipMachine（SerialPort serialPort）

　　{

　　byte［］ receiveDataPackage=null;

　　InputStream in=null;

　　try

　　{

　　in=serialPort.getInputStream（）;

　　//获取data buffer数据长度

　　int bufferLength=in.available（）;

　　while（bufferLength！=0）

　　{

　　receiveDataPackage=new byte［bufferLength］;

　　in.read（receiveDataPackage）;

　　bufferLength=in.available（）;

　　}

　　}

　　catch （IOException e）

　　{

　　e.printStackTrace（）;

　　}

　　return receiveDataPackage;

　　} 12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455565758596061626364656667686970

　　通过以上关于Uart两个基本类实现对底层Uart的功能封装，其中一个类主要负责Uart串口自检和基本设置，另外一个类主要has数据传输的两个方法。接下来以一个实例说一说通过RS485串口通信将系统当前时间发送至单板机系统。

　　step 4：实现实时系统时间的数据包传输至下位机

　　这一步可以分为以下两个步骤：首先实现获取系统时间，将时间进行封装成帧；另外就是通过RS485串口将时间数据包发送至单板机系统进行解析。

　　1） 系统时间的获取

　　根据java面对对象设计思想，这里将有关系统时间的方法归为一类。

　　以下是获取当前系统时间代码：

　　public static String getCurrentDateTime（）

　　{

　　//单例模式

　　Calendar calendar=Calendar.getInstance（）;

　　int year = calendar.get（Calendar.YEAR）;//获取年份

　　int month=calendar.get（Calendar.MONTH）;//获取月份

　　int day=calendar.get（Calendar.DATE）;//获取日期

　　int minute=calendar.get（Calendar.MINUTE）;//分

　　int hour=calendar.get（Calendar.HOUR）;//小时

　　int second=calendar.get（Calendar.SECOND）;//秒

　　String curerentDateTime = year + “ ” + （month + 1 ）+ “ ” + day + “ ”+ （hour+12） + “ ” + minute + “ ” + second + “ ”;

　　timeCheckSum=year+（month+1）+day+（hour+12）+minute+second;

　　return curerentDateTime;

　　}1234567891011121314

　　java 提供了calender类，该类提供了一些与时间有关方法。至于Calendar.getInstance（）使用单例模式获取一个Calendar实例对象，单例模式就是一个类在任何时候只允许有一个实例化对象。获取系统时间除了使用Calendar还可以使用Date类，通过创建对象也可以实现系统当前时间的获取。timeCheckSum作为时间数据的校验和发送至单板机作为自定义协议的一部分。

　　由于发送的数据包通常是以字节（byte）为单位进行发送和传输的，因此需要将int型的时间转换为byte使用byte［］进行存储，作为一个数据包发送。

　　/*

　　* 将以上时间字符串进行隔开用byte［］保存

　　*/

　　public static byte［］ dateTimeBytesGet（String currenDateTime）

　　{

　　//对当前时间参数进行格式判断

　　//对格式进行判断

　　int rawDataSize=6;

　　byte［］ dateTimeBytes=new byte［rawDataSize+1］;

　　String［］ currentDateTimeSplit=currenDateTime.split（“ ”）;

　　if（currentDateTimeSplit.length==rawDataSize）

　　{

　　//时间数据格式正确

　　//eg 2016 12 23 22 18 26

　　//使用byte［］进行存储时需要 -128~+127

　　//对于年份使用两个byte存储

　　for（int dataIndex=0;dataIndex《rawDataSize;dataIndex++）

　　{

　　int dateTemp=Integer.parseInt（currentDateTimeSplit［dataIndex］）;

　　if（dataIndex==0）

　　{

　　byte H8bits=（byte）（（dateTemp）》》8）;

　　byte L8bits=（byte）（（dateTemp）&0xff）;

　　dateTimeBytes［dataIndex］= H8bits;

　　dateTimeBytes［dataIndex+1］= L8bits;

　　}

　　dateTimeBytes［dataIndex+1］=（byte）dateTemp;

　　}

　　}else

　　{

　　System.out.println（“当前时间获取出现异常数据”）;

　　System.exit（-1）;

　　dateTimeBytes=null;

　　}

　　return dateTimeBytes;

　　}123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536

　　以上数据可以使用7个byte对时间数据进行存储，因为年份需要使用两个字节来存储，格式为高字节在前，低字节在后，之后依次存放。

　　将时间数据存放在byte［］数组以后接下来就是添加自己的协议部分了。该部分具有较大的随意性，因为该协议可以根据不同的风格有不同的形式。为了简单起见，只需要在时间数据byte［］之前添加head、CMD、时间数据长度length这三个字节进行补充，时间数据byte［］后面依次添加校验和高低字节以及tail指令即可。以上基本实现了一个简单的时间数据package。以下是本模块的代码：

　　/*

　　* 将数组封装成帧

　　* 每一个数据帧由以下几个部分组成

　　* 1）数据包头部 head 0X2F

　　* 2）数据包命令 CMD 0X5A

　　* 3）数据个数 length of data 7

　　* 4）校验和 H8/L8 byte of check sum（高字节在前 低字节在后）

　　* 5）数据结尾标志 tail OX30

　　* 6）可采用线程进行获取当前时间

　　*/

　　public static byte［］ makeCurrentDateTimefromStringtoFramePackage（byte［］ dateTimeBytes）

　　{

　　//在时间byte［］前后添加一些package校验信息

　　int dataLength=13;

　　byte［］ terimalTimePackage=new byte［dataLength］;

　　//装填信息

　　//时间数据包之前的信息

　　terimalTimePackage［0］=0x2F;

　　terimalTimePackage［1］=0X5A;

　　terimalTimePackage［2］=7;

　　//计算校验和

　　//转化为无符号进行校验

　　for（int dataIndex=0;dataIndex《dateTimeBytes.length;dataIndex++）

　　{

　　terimalTimePackage［dataIndex+3］=dateTimeBytes［dataIndex］;

　　}

　　//将校验和分为高低字节

　　byte sumH8bits=（byte）（（timeCheckSum）》》8）;

　　byte sumL8bits=（byte）（（timeCheckSum）&0xff）;

　　terimalTimePackage［10］=sumH8bits;//高字节在前

　　terimalTimePackage［11］=sumL8bits;//低字节在后

　　//数据包结尾

　　terimalTimePackage［12］=0X30;

　　return terimalTimePackage;

　　}1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435

　　下面给出了将时间数据byte数组进行解析的debug代码，一方面是确定上位机本部分模块的程序可靠性，另外也可以直接移植到下位机对数据包的解析之中。在下位机解析过程中需要注意一点：因为在java中8大基本类型都是带符号，年份时间和时间校验和拆分为高低字节时，低字节是二进制无符号的，但是计算机却是按照有符号数（补码方式）进行读取，例如在2016年转换为二进制数为：11111100000，那么高字节为00000111，低字节为11100000。计算机读取为：高字节为7，低字节为-32。其实由两个byte真实还原的过程应为：7《《8+（低字节二进制数字）=7*256+224=2016，因此在debug解析时间数据包时需要将有符号数字转换为无符号数字。

　　/*

　　* 对时间格式进行解析并还原原来的时间格式

　　* 对数据进行还原

　　* 仅限于debug使用

　　*/

　　public static String dateTimeBytesfromTostring（byte［］ currentDateTime）

　　{

　　String string=“”;

　　if（currentDateTime.length==7）

　　{

　　string=（（currentDateTime［0］《《8）+bytetoUnsigendInt（currentDateTime［1］））+“ ”+currentDateTime［2］+“ ”+

　　currentDateTime［3］+“ ”+currentDateTime［4］+“ ”+currentDateTime［5］+“ ”+

　　currentDateTime［6］;

　　}

　　return string;

　　}

　　/*

　　* 将byte转化为字符串

　　* 将有符号byte转化为无符号数字

　　* debug使用

　　*/

　　public static int bytetoUnsigendInt（byte aByte）

　　{

　　String s=String.valueOf（aByte）;

　　//System.out.println（s）;

　　int bytetoUnsigendInt=0;

　　for（int i=0;i《s.length（）;i++）

　　{

　　if（s.charAt（i）！=‘0’）

　　{

　　bytetoUnsigendInt+=1《《（7-i）;

　　}

　　}

　　return bytetoUnsigendInt;

　　}12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637

　　2）将最后的时间数据包通过RS485串口发送至下位机

　　结合前面的串口程序就可以使用串口发送程序了。在程序debug的前期可以在程序的关键位置输出日志就是打印log的方法可以提高程序调试的效率。以下是主类的测试代码：

　　//取出第一个COM端口进行测试

　　SerialPort serialPort=UARTParameterSetup.portParameterOpen（arraylist.get（0）， 57600）;

　　//退出程序 后续不需要监测 因为transimit一直需要保证连接状态

　　//System.exit（0）;

　　DataTransimit.uartSendDatatoSerialPort（serialPort， dataFrame）;

　　String currentDateTime=SystemDateTimeGet.getCurrentDateTime（）;

　　System.out.println（currentDateTime）;

　　byte［］ bytes=SystemDateTimeGet.dateTimeBytesGet（currentDateTime）;

　　//System.out.println（Arrays.toString（bytes））;

　　String str=SystemDateTimeGet.dateTimeBytesfromTostring（bytes）;

　　System.out.println（str）;

　　//System.out.println（SystemDateTimeGet.bytetoUnsigendInt（（byte） -32））;

　　byte［］ terimalTimeByte=SystemDateTimeGet.makeCurrentDateTimefromStringtoFramePackage（bytes）;

　　System.out.println（Arrays.toString（terimalTimeByte））;

　　DataTransimit.uartSendDatatoSerialPort（serialPort， terimalTimeByte）;123456789101112131415

　　以下是测试结果：

　　当没有串口设备接入计算机时控制台打印一条信息：

　　没有找到可用的串口端口，请check设备！

　　12

　　当RS485设备接入计算机时，控制台打印消息如下：

　通过以上几个步骤基本实现了上位机与下位机串口通信的功能，接下来还可以对程序进行改进：

　　1）添加界面，可以类比串口助手界面根据自身需要设计独具风格的人机交互界面。

　　2） 在程序中添加线程，在以上程序中对于系统时间的获取可以通过线程的方式进行获取，这样上位机就可以一直往下位机发送数据包，而不是仅仅发一次。

　　3）对于上位机数据接收，除了以上最基本的接收功能外，还可以使用JDBC与mysql等数据进行存储，并绘画数据曲线实现特性分析。

　　审核编辑：汤梓红