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)\Java\jdk1.8.0_25\bin\ C:\Program Files (x86)\Java\jdk1.8.0_25\jre\bin\12 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 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: public staTIc final ArrayList《String》 uartPortUseAblefind() //由CommPorTIdenTIfier类提供方法 Enumeration《CommPortIdentifier》 portList=CommPortIdentifier.getPortIdentifiers(); ArrayList《String》 portNameList=new ArrayList(); while(portList.hasMoreElements()) String portName=portList.nextElement().getName(); portNameList.add(portName); }123456789101112131415161718 ArrayList《String》 arraylist=UARTParameterSetup.uartPortUseAblefind(); int useAbleLen=arraylist.size(); System.out.println(“没有找到可用的串口端口,请check设备!”); 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)); 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: * 2)设置波特率 根据单板机的需求可以设置为57600 。。。 * 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; 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!”); 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 serialPort.setSerialPortParams(baudrate, SerialPort.DATABITS_8,SerialPort.STOPBITS_1, SerialPort.PARITY_NONE); 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”); 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) catch (PortInUseException e) catch (UnsupportedCommOperationException e) }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:public static void uartSendDatatoSerialPort(SerialPort serialPort,byte[] dataPackage)out=serialPort.getOutputStream();System.out.println(“数据已发送完毕!”);public static byte[] uartReceiveDatafromSingleChipMachine(SerialPort serialPort)byte[] receiveDataPackage=null;in=serialPort.getInputStream();int bufferLength=in.available();receiveDataPackage=new byte[bufferLength];in.read(receiveDataPackage);bufferLength=in.available();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。 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。public static String getCurrentDateTime()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;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。public static byte[] dateTimeBytesGet(String currenDateTime)byte[] dateTimeBytes=new byte[rawDataSize+1];String[] currentDateTimeSplit=currenDateTime.split(“ ”);if(currentDateTimeSplit.length==rawDataSize)//使用byte[]进行存储时需要 -128~+127for(int dataIndex=0;dataIndex《rawDataSize;dataIndex++)int dateTemp=Integer.parseInt(currentDateTimeSplit[dataIndex]);byte H8bits=(byte)((dateTemp)》》8);byte L8bits=(byte)((dateTemp)&0xff);dateTimeBytes[dataIndex]= H8bits;dateTimeBytes[dataIndex+1]= L8bits;dateTimeBytes[dataIndex+1]=(byte)dateTemp;System.out.println(“当前时间获取出现异常数据”);}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:* 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)public static byte[] makeCurrentDateTimefromStringtoFramePackage(byte[] dateTimeBytes)//在时间byte[]前后添加一些package校验信息byte[] terimalTimePackage=new byte[dataLength];terimalTimePackage[0]=0x2F;terimalTimePackage[1]=0X5A;for(int dataIndex=0;dataIndex《dateTimeBytes.length;dataIndex++)terimalTimePackage[dataIndex+3]=dateTimeBytes[dataIndex];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。public static String dateTimeBytesfromTostring(byte[] currentDateTime)if(currentDateTime.length==7)string=((currentDateTime[0]《《8)+bytetoUnsigendInt(currentDateTime[1]))+“ ”+currentDateTime[2]+“ ”+currentDateTime[3]+“ ”+currentDateTime[4]+“ ”+currentDateTime[5]+“ ”+public static int bytetoUnsigendInt(byte aByte)String s=String.valueOf(aByte);for(int i=0;i《s.length();i++)bytetoUnsigendInt+=1《《(7-i);return bytetoUnsigendInt;}123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536372)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: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(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。
End
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