串口通信原理

1.串口通信指串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)。

2.串口是計算機上一種非常通用的設(shè)備通信協(xié)議（不要與通用串行總線Universal SerialBus或者USB混淆）

3.地，串口用于ASCII碼字符的傳輸。通信使用3根線完成：（1）地線，（2）發(fā)送，（3）接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時在另一根線上接收數(shù)據(jù)。其他線用于握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數(shù)是比特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進(jìn)行通信的端口，這些參數(shù)必須匹配

4.-232（ANSI/EIA-232標(biāo)準(zhǔn)）是IBM-PC及其兼容機上的串行連接標(biāo)準(zhǔn)、RS-422（EIA RS-422-AStandard）是Apple的Macintosh計算機的串口連接標(biāo)準(zhǔn)。RS-485（EIA-485標(biāo)準(zhǔn)）是RS-422的改進(jìn)。

說到開源，恐怕很少有人不挑大指稱贊。學(xué)生通過開源代碼學(xué)到了知識，程序員通過開源類庫獲得了別人的成功經(jīng)驗及能夠按時完成手頭的工程，商家通過開源軟件賺到了錢……，總之是皆大歡喜。然而開源軟件或類庫的首要缺點就是大多缺乏詳細(xì)的說明文檔和使用的例子，或者就是軟件代碼隨便你用，就是文檔，例子和后期服務(wù)收錢。這也難怪，畢竟就像某個著名NBA球員說的那樣：“我還要養(yǎng)家，所以千萬美元以下的合同別找我談，否則我寧可待業(yè)”。是啊，支持開源的人也要養(yǎng)家，收點錢也不過分。要想既不花錢又學(xué)到知識就只能借助網(wǎng)絡(luò)和了，我只是想拋磚引玉，為開源事業(yè)做出點微薄共獻(xiàn)，能為你的工程解決哪怕一個小問題，也就足夠了。

雖然我的這個系列介紹的東西不是什么Web框架，也不是什么開源服務(wù)器，但是我相信，作為一個程序員，什么樣的問題都會遇到。有時候越是簡單的問題反而越棘手；越是小的地方就越是找不到稱手的家伙。只要你不是整天只與“架構(gòu)”、“構(gòu)件”、“框架”打交道的話，相信我所說的東西你一定會用到。

1 串口通信簡介

1.1 常見的Java串口包

1.2 串口包的安裝（Windows下）

2 串口API概覽

2.1 javax.comm.CommPort

2.2 javax.comm.CommPortIdentifier

2.3 javax.comm.SerialPort

2.4 串口API實例

2.4.1 列舉出本機所有可用串口

2.4.2 串口參數(shù)的配置

2.4.3 串口的讀寫

3 串口通信的通用模式及其問題

3.1 事件監(jiān)聽模型

3.2 串口讀數(shù)據(jù)的線程模型

3.3 第三種方法

4 結(jié)束語

1 串口通信簡介

嵌入式系統(tǒng)或傳感器網(wǎng)絡(luò)的很多應(yīng)用和測試都需要通過PC機與嵌入式設(shè)備或傳感器節(jié)點進(jìn)行通信。其中，最常用的接口就是RS-232串口和并口（鑒于USB接口的復(fù)雜性以及不需要很大的數(shù)據(jù)傳輸量，USB接口用在這里還是顯得過于奢侈，況且目前除了SUN有一個支持USB的包之外，我還沒有看到其他直接支持USB的Java類庫）。SUN的CommAPI分別提供了對常用的RS232串行端口和IEEE1284并行端口通訊的支持。RS-232-C（又稱EIA RS-232-C，以下簡稱RS232）是在1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。RS232是一個全雙工的通訊協(xié)議，它可以同時進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的工作。

1.1 常見的Java串口包

目前，常見的Java串口包有SUN在1998年發(fā)布的串口通信API：comm2.0.jar（Windows下）、comm3.0.jar（Linux/Solaris）；IBM的串口通信API以及一個開源的實現(xiàn)。鑒于在Windows下SUN的API比較常用以及IBM的實現(xiàn)和SUN的在API層面都是一樣的，那個開源的實現(xiàn)又不像兩家大廠的產(chǎn)品那樣讓人放心，這里就只介紹SUN的串口通信API在Windows平臺下的使用。

1.2 串口包的安裝（Windows下）

到SUN的網(wǎng)站下載javacomm20-win32.zip，包含的東西如下所示：

按照其使用說明（Readme.html）的說法，要想使用串口包進(jìn)行串口通信，除了設(shè)置好環(huán)境變量之外，還要將win32com.dll復(fù)制到《JDK》/bin目錄下；將comm.jar復(fù)制到《JDK》/lib；把javax.comm.properties也同樣拷貝到《JDK》/lib目錄下。然而在真正運行使用串口包的時候，僅作這些是不夠的。因為通常當(dāng)運行“java MyApp”的時候，是由JRE下的虛擬機啟動MyApp的。而我們只復(fù)制上述文件到JDK相應(yīng)目錄下，所以應(yīng)用程序?qū)崾菊也坏酱凇＝鉀Q這個問題的方法很簡單，我們只須將上面提到的文件放到JRE相應(yīng)的目錄下就可以了。

值得注意的是，在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序中使用串口API的時候，還會遇到其他更復(fù)雜問題。有興趣的話，你可以查看CSDN社區(qū)中“關(guān)于網(wǎng)頁上Applet用javacomm20讀取客戶端串口的問題”的帖子。

2 串口API概覽

2.1 javax.comm.CommPort

這是用于描述一個被底層系統(tǒng)支持的端口的抽象類。它包含一些高層的IO控制方法，這些方法對于所有不同的通訊端口來說是通用的。SerialPort 和ParallelPort都是它的子類，前者用于控制串行端口而后者用于控這并口，二者對于各自底層的物理端口都有不同的控制方法。這里我們只關(guān)心SerialPort。

2.2 javax.comm.CommPortIdentifier

這個類主要用于對串口進(jìn)行管理和設(shè)置，是對串口進(jìn)行訪問控制的核心類。主要包括以下方法

l 確定是否有可用的通信端口

l 為IO操作打開通信端口

l 決定端口的所有權(quán)

l 處理端口所有權(quán)的爭用

l 管理端口所有權(quán)變化引發(fā)的事件（Event）

2.3 javax.comm.SerialPort

這個類用于描述一個RS-232串行通信端口的底層接口，它定義了串口通信所需的最小功能集。通過它，用戶可以直接對串口進(jìn)行讀、寫及設(shè)置工作。

2.4 串口API實例

大段的文字怎么也不如一個小例子來的清晰，下面我們就一起看一下串口包自帶的例子---SerialDemo中的一小段代碼來加深對串口API核心類的使用方法的認(rèn)識。

2.4.1 列舉出本機所有可用串口

void listPortChoices（） {

CommPortIdentifier portId;

Enumeration en = CommPortIdentifier.getPortIdentifiers（）;

// iterate through the ports.

while （en.hasMoreElements（）） {

portId = （CommPortIdentifier） en.nextElement（）;

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

System.out.println（portId.getName（））;

}

}

portChoice.select（parameters.getPortName（））;

}

以上代碼可以列舉出當(dāng)前系統(tǒng)所有可用的串口名稱，我的機器上輸出的結(jié)果是COM1和COM3。

2.4.2 串口參數(shù)的配置

串口一般有如下參數(shù)可以在該串口打開以前配置進(jìn)行配置：

包括波特率，輸入/輸出流控制，數(shù)據(jù)位數(shù)，停止位和齊偶校驗。

SerialPort sPort;

try {

sPort.setSerialPortParams（BaudRate，Databits，Stopbits，Parity）;

//設(shè)置輸入/輸出控制流

sPort.setFlowControlMode（FlowControlIn | FlowControlOut）;

} catch （UnsupportedCommOperationException e） {}

2.4.3 串口的讀寫

對串口讀寫之前需要先打開一個串口：

CommPortIdentifier portId = CommPortIdentifier.getPortIdentifier（PortName）;

try {

SerialPort sPort = （SerialPort） portId.open（“串口所有者名稱”， 超時等待時間）;

} catch （PortInUseException e） {//如果端口被占用就拋出這個異常

throw new SerialConnectionException（e.getMessage（））;

}

//用于對串口寫數(shù)據(jù)

OutputStream os = new BufferedOutputStream（sPort.getOutputStream（））;

os.write（int data）;

//用于從串口讀數(shù)據(jù)

InputStream is = new BufferedInputStream（sPort.getInputStream（））;

int receivedData = is.read（）;

讀出來的是int型，你可以把它轉(zhuǎn)換成需要的其他類型。

這里要注意的是，由于Java語言沒有無符號類型，即所有的類型都是帶符號的，在由byte到int的時候應(yīng)該尤其注意。因為如果byte的最高位是1，則轉(zhuǎn)成int類型時將用1來占位。這樣，原本是10000000的byte類型的數(shù)變成int型就成了1111111110000000，這是很嚴(yán)重的問題，應(yīng)該注意避免。

3 串口通信的通用模式及其問題

終于嘮叨完我最討厭的基礎(chǔ)知識了，下面開始我們本次的重點--串口應(yīng)用的研究。由于向串口寫數(shù)據(jù)很簡單，所以這里我們只關(guān)注于從串口讀數(shù)據(jù)的情況。通常，串口通信應(yīng)用程序有兩種模式，一種是實現(xiàn)SerialPortEventListener接口，監(jiān)聽各種串口事件并作相應(yīng)處理；另一種就是建立一個獨立的接收線程專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收。由于這兩種方法在某些情況下存在很嚴(yán)重的問題（至于什么問題這里先賣個關(guān)子J），所以我的實現(xiàn)是采用第三種方法來解決這個問題。

3.1 事件監(jiān)聽模型

現(xiàn)在我們來看看事件監(jiān)聽模型是如何運作的

：

l 首先需要在你的端口控制類（例如SManager）加上“implements SerialPortEventListener”

l 在初始化時加入如下代碼：

try {

SerialPort sPort.addEventListener（SManager）;

} catch （TooManyListenersException e） {

sPort.close（）;

throw new SerialConnectionException（“too many listeners added”）;

}

sPort.notifyOnDataAvailable（true）;

l 覆寫public void serialEvent（SerialPortEvent e）方法，在其中對如下事件進(jìn)行判斷：

BI -通訊中斷。

CD -載波檢測。

CTS -清除發(fā)送。

DATA_AVAILABLE -有數(shù)據(jù)到達(dá)。

DSR -數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好。

FE -幀錯誤。

OE -溢位錯誤。

OUTPUT_BUFFER_EMPTY -輸出緩沖區(qū)已清空。

PE -奇偶校驗錯。

RI -振鈴指示。

一般最常用的就是DATA_AVAILABLE--串口有數(shù)據(jù)到達(dá)事件。也就是說當(dāng)串口有數(shù)據(jù)到達(dá)時，你可以在serialEvent中接收并處理所收到的數(shù)據(jù)。然而在我的實踐中，遇到了一個十分嚴(yán)重的問題。

首先描述一下我的實驗：我的應(yīng)用程序需要接收傳感器節(jié)點從串口發(fā)回的查詢數(shù)據(jù)，并將結(jié)果以圖標(biāo)的形式顯示出來。串口設(shè)定的波特率是115200，川口每隔128毫秒返回一組數(shù)據(jù)（大約是30字節(jié)左右），周期（即持續(xù)時間）為31秒。實測的時候在一個周期內(nèi)應(yīng)該返回4900多個字節(jié)，而用事件監(jiān)聽模型我最多只能收到不到1500字節(jié)，不知道這些字節(jié)都跑哪里去了，也不清楚到底丟失的是那部分?jǐn)?shù)據(jù)。值得注意的是，這是我將serialEvent（）中所有處理代碼都注掉，只剩下打印代碼所得的結(jié)果。數(shù)據(jù)丟失的如此嚴(yán)重是我所不能忍受的，于是我決定采用其他方法。

3.2 串口讀數(shù)據(jù)的線程模型

這個模型顧名思義，就是將接收數(shù)據(jù)的操作寫成一個線程的形式：

public void startReadingDataThread（） {

Thread readDataProcess = new Thread（new Runnable（） {

public void run（） {

while （newData ！= -1） {

try {

newData = is.read（）;

System.out.println（newData）;

//其他的處理過程

………。

} catch （IOException ex） {

System.err.println（ex）;

return;

}

}

readDataProcess.start（）;

}

在我的應(yīng)用程序中，我將收到的數(shù)據(jù)打包放到一個緩存中，然后啟動另一個線程從緩存中獲取并處理數(shù)據(jù)。兩個線程以生產(chǎn)者—消費者模式協(xié)同工作，數(shù)據(jù)的流向如下圖所示：

這樣，我就圓滿解決了丟數(shù)據(jù)問題。然而，沒高興多久我就又發(fā)現(xiàn)了一個同樣嚴(yán)重的問題：雖然這回不再丟數(shù)據(jù)了，可是原本一個周期（31秒）之后，傳感器節(jié)電已經(jīng)停止傳送數(shù)據(jù)了，但我的串口線程依然在努力的執(zhí)行讀串口操作，在控制臺也可以看見收到的數(shù)據(jù)仍在不斷的打印。原來，由于傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)過快，而我的接收線程處理不過來，所以InputStream就先把已到達(dá)卻還沒處理的字節(jié)緩存起來，于是就導(dǎo)致了明明傳感器節(jié)點已經(jīng)不再發(fā)數(shù)據(jù)了，而控制臺卻還能看見數(shù)據(jù)不斷打印這一奇怪的現(xiàn)象。唯一值得慶幸的是最后收到數(shù)據(jù)確實是4900左右字節(jié)，沒出現(xiàn)丟失現(xiàn)象。然而當(dāng)處理完最后一個數(shù)據(jù)的時候已經(jīng)快1分半鐘了，這個時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于節(jié)點運行周期。這一延遲對于一個實時的顯示系統(tǒng)來說簡直是災(zāi)難！

后來我想，是不是由于兩個線程之間的同步和通信導(dǎo)致了數(shù)據(jù)接收緩慢呢？于是我在接收線程的代碼中去掉了所有處理代碼，僅保留打印收到數(shù)據(jù)的語句，結(jié)果依然如故。看來并不是線程間的通信阻礙了數(shù)據(jù)的接收速度，而是用線程模型導(dǎo)致了對于發(fā)送端數(shù)據(jù)發(fā)送速率過快的情況下的數(shù)據(jù)接收延遲。這里申明一點，就是對于數(shù)據(jù)發(fā)送速率不是如此快的情況下前面者兩種模型應(yīng)該還是好用的，只是特殊情況還是應(yīng)該特殊處理。

3.3 第三種方法

痛苦了許久（Boss天天催我L）之后，偶然的機會，我聽說TinyOS中（又是開源的）有一部分是和我的應(yīng)用程序類似的串口通信部分，于是我下載了它的1.x版的Java代碼部分，參考了它的處理方法。解決問題的方法說穿了其實很簡單，就是從根源入手。根源不就是接收線程導(dǎo)致的嗎，那好，我就干脆取消接收線程和作為中介的共享緩存，而直接在處理線程中調(diào)用串口讀數(shù)據(jù)的方法來解決問題（什么，為什么不把處理線程也一并取消？----都取消應(yīng)用程序界面不就鎖死了嗎？所以必須保留）于是程序變成了這樣：

public byte［］ getPack（）{

while （true） {

// PacketLength為數(shù)據(jù)包長度

byte［］ msgPack = new byte［PacketLength］;

for（int i = 0; i 《 PacketLength; i++）{

if（ （newData = is.read（）） ！= -1）{

msgPack［i］ = （byte） newData;

System.out.println（msgPack［i］）;

}

}

return msgPack;

}

}

在處理線程中調(diào)用這個方法返回所需要的數(shù)據(jù)序列并處理之，這樣不但沒有丟失數(shù)據(jù)的現(xiàn)象行出現(xiàn)，也沒有數(shù)據(jù)接收延遲了。這里唯一需要注意的就是當(dāng)串口停止發(fā)送數(shù)據(jù)或沒有數(shù)據(jù)的時候is.read（）一直都返回-1，如果一旦在開始接收數(shù)據(jù)的時候發(fā)現(xiàn)-1就不要理它，繼續(xù)接收，直到收到真正的數(shù)據(jù)為止。

4 結(jié)束語

本文介紹了串口通信的基本知識，以及常用的幾種模式。通過實踐，提出了一些問題，并在最后加以解決。值得注意的是對于第一種方法，我曾將傳感器發(fā)送的時間由128毫秒增加到512毫秒，仍然有很嚴(yán)重的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象發(fā)生，所以如果你的應(yīng)用程序需要很精密的結(jié)果，傳輸數(shù)據(jù)的速率又很快的話，就最好不要用第一種方法。對于第二種方法，由于是線程導(dǎo)致的問題，所以對于不同的機器應(yīng)該會有不同的表現(xiàn)，對于那些處理多線程比較好的機器來說，應(yīng)該會好一些。但是我的機器是Inter 奔四3.0雙核CPU+512DDR內(nèi)存，這樣都延遲這么厲害，還得多強的CPU才行啊？所以對于數(shù)據(jù)量比較大的傳輸來說，還是用第三種方法吧。不過這個世界問題是很多的，而且未知的問題比已知的問題多的多，說不定還有什么其他問題存在，歡迎你通過下面的聯(lián)系方式和我一起研究。