串口通信知識點詳解

串口通信的基本概念:
1.在計算機上進行數據的通信有兩種方式。串行方式和並行方式。也就是串口通信和並行通信。即串口通信是計算機傳輸數據的一種通信方式。

2.並行通信以字節為但是進行傳輸數據，相比於串口通信，他的速度快，傳輸距離近。串口通信以比特位傳輸數據，相比於並行通信，他的傳輸速度慢，但是傳輸距離遠。並且串口通信是異步通信，因此，端口可以在一根線上發送數據的同時在另一根線上接收數據

3.串口通信最重要的參數是波特率、數據位、停止位和奇偶校驗。對於兩個進行通信的端口，這些參數必須匹配。
(1)波特率:傳輸速率。如每秒鍾傳送240個字符，而每個字符格式包含10位（1個起始位，1個停止位，8個數據位），這時的波特率為240Bd，比特率為10位*240個/秒=2400bps。
(2)數據位：數據包中發送端想要發送的數據
(3)停止位:用於表示單個包的最后一位，結束標志以及校正時鍾同步
(4)奇偶校驗:檢錯方式。一共有四種檢錯方式:偶、奇、高和低。

4.串口通信的應用場景:串口通信是指外設和計算機間，通過數據線按位進行傳輸數據的一種通訊方式。這種通信方式使用的數據線少，在遠距離通信中可以節約通信成本，但其傳輸速度比並行傳輸低。大多數計算機(不包括筆記本)都包含兩個RS-232串口。串口通信也是儀表儀器設備常用的通信協議。

Windows下串口通信：
1.在windows下，串口是作為文件進行處理。

2.串口通信分為四大步驟:打開串口，關閉串口，配置串口，讀寫串口
(1)打開串口:使用CreateFile函數:
HANDLE WINAPI CreateFile(
    _In_      LPCTSTR lpFileName,//要打開或創建的文件名
    _In_      DWORD dwDesiredAccess,//訪問類型
    _In_      DWORD dwShareMode,//共享方式
    _In_opt_  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes,//安全屬性
    _In_      DWORD dwCreationDisposition,//指定要打開的文件已存在或不存在的動作
    _In_      DWORD dwFlagsAndAttributes,//文件屬性和標志
    _In_opt_  HANDLE hTemplateFile//一個指向模板文件的句柄
);
參數說明:
    1).lpFileName：要打開或創建的文件名
    2).dwDesiredAccess：訪問類型。0為設備查詢訪問；GENERIC_READ為讀訪問；GENERIC_WRITE為寫訪問；
    3).dwShareMode:共享方式。0表示文件不能共享,試圖打開文件的操作都會失敗;FILE_SHARE_READ表示允許其它讀操作;FILE_SHARE_WRITE表示允許寫操作；FILE_SHARE_DELETE表示允許刪除操作。
    4).lpSecurityAttributes：安全屬性。一個指向SECURITY_ATTRIBUTES結構的指針。一般傳入NULL
    5).dwCreationDisposition：創建或打開文件時的動作。 OPEN_ALWAYS：打開文件，如果文件不存在則創建；TRUNCATE_EXISTING 打開文件，且將文件清空（故需要GENERIC_WRITE權限），若文件不存在則失敗；OPEN_EXISTING打開文件，文件若不存在則會失敗；CREATE_ALWAYS創建文件，如果文件已存在則清空；CREATE_NEW創建文件，如文件存在則會失敗；
    6).dwFlagsAndAttributes：文件標志屬性。FILE_ATTRIBUTE_NORMAL常規屬性; FILE_FLAG_OVERLAPPED異步I/O標志，如果不指定此標志則默認為同步IO；FILE_ATTRIBUTE_READONLY文件為只讀; FILE_ATTRIBUTE_HIDDEN文件為隱藏。FILE_FLAG_DELETE_ON_CLOSE所有文件句柄關閉后文件被刪除
    7). hTemplateFile：一個文件的句柄，且該文件必須是以GENERIC_READ訪問方式打開的。如果此參數不是NULL，則會使用hTemplateFile關聯的文件的屬性和標志來創建文件。如果是打開一個現有文件，則該參數被忽略。
注意點: 使用該函數打開串口時需要注意的是：文件名直接寫串口號名，如“COM1”，；共享方式應為0，即串口應為獨占方式；打開時的動作應為OPEN_EXISTING，即串口必須存在。
(2)關閉串口:BOOL WINAPI CloseHandle(HANDLE hObject);
(3)配置串口:串口的配置主要包含三部分內容:設置超時和設置緩沖區,設置串口配置信息。
    1)超時設置:在讀寫串口的時候，如果沒有指定異步操作，讀寫緩沖區都會一直等待數據達到一定大小才進行讀寫，因此，我們需要設置一個讀寫超時事件以防永遠等待浪費資源。調用SetCommTimeouts()可以設置串口讀寫超時時間，GetCommTimeouts()可以獲得當前的超時設置信息，一般先利用GetCommTimeouts獲得當前超時信息到一個COMMTIMEOUTS結構，然后對這個結構自定義，再調用SetCommTimeouts()進行超時設置：
    a.獲取超時信息:
    BOOL GetCommTimeouts(
    _In_ HANDLE hFile,
    _Out_ LPCOMMTIMEOUTS lpCommTimeouts
    b.設置超時:
    BOOL SetCommTimeouts(
    _In_ HANDLE hFile,
    _In_ LPCOMMTIMEOUTS lpCommTimeouts
    );
    c.超時設置信息結構體：
    typedef struct _COMMTIMEOUTS {
    DWORD ReadIntervalTimeout;          //讀兩個字符間的事件間隔，若兩個字符之間的讀操作間隔超過此間隔則立即返回
    DWORD ReadTotalTimeoutMultiplier;   //讀操作在讀取每個字符時的超時
    DWORD ReadTotalTimeoutConstant;     //讀操作的固定超時
    DWORD WriteTotalTimeoutMultiplier;  //寫操作在寫每個字符時的超時
    DWORD WriteTotalTimeoutConstant;    //寫操作的固定超時
    } COMMTIMEOUTS,*LPCOMMTIMEOUTS;
    d.隔超時和總超時，間隔超時就是ReadIntervalTimeout，總超時= ReadTotalTimeoutConstant + ReadTotalTimeoutMultiplier*要讀寫的字符數。可以看出：間隔超時和總超時的設置是不相關的，寫操作只支持總超時，而讀操作兩種超時均支持。比如：ReadTotalTimeoutMultiplier設為1000，其余成員為0，如果ReadFile()想要讀取5個字符，則總的超時時間為1*5=5秒；ReadTotalTimeoutConstant設為5000，其余為0，則總的超時時間為5秒；ReadTotalTimeoutMultiplier設為1000並且ReadTotalTimeoutConstant設為5000，其余為0，如果ReadFile()想要讀取5個字符，則總的超時間為1*5+5 =10秒。如果將ReadIntervalTimeout設為MAXDWORD，ReadTotalTimeoutMultiplier和ReadTotalTimeoutConstant都為0，則讀操作會一次讀入緩沖區的內容后立即返回，不管是否讀入了指定字符。需要注意的是，用重疊方式讀寫串口時，SetCommTimeouts()仍然是起作用的，在這種情況下，超時規定的是I/O操作的完成時間，而不是ReadFile和WriteFile的返回時間。
    2).SetupComm()函數用來設置串口的發送/接受緩沖區的大小，如果通信的速率較高，則應該設置較大的緩沖區。
    BOOL WINAPI SetupComm(
    __in HANDLE hFile,//串口句柄
    __in DWORD dwInQueue,//輸入緩沖區大小
    __in DWORD dwOutQueue//輸出緩沖區大小
    );
    3).函數GetCommState()和SetCommState()分別用來獲得和設置串的配置信息，如波特率、校驗方式、數據位個數、停止位個數等。一般也是先調用GetCommState()獲得串口配置信息到一個DCB結構中去，再對這個結構自定義后調用SetCommState()進行設置。
    BOOL WINAPI GetCommState(
    __in  HANDLE hFile,//串口句柄
    __out LPDCB lpDCB//保存的串口配置信息
    );
    BOOL WINAPI SetCommState(
    __in HANDLE hFile,//串口句柄
    __in LPDCB lpDCB//設置的串口配置信息
    );
    a.DCB結構中幾個比較重要的成員有：BaudRate(波特率)、fParity(指定奇偶校驗使能)、Parity(校驗方式)、ByteSize(數據位個數)、StopBits(停止位個數)。
    b.BaudRate波特率常用的有CBR_9600、CBR_14400、CBR_19200、CBR_38400、CBR_56000、CBR_57600、CBR_115200、 CBR_128000、 CBR_256000。
    c.fParity奇偶校驗使能，若為1，則允許奇偶校驗
    d.ByteSize數據位個數可以為5~8位。
    e.StopBits停止位可以為0~2，對應宏為ONESTOPBIT、ONE5STOPBITS、TWOSTOPBITS，表示1位停止位、1.5位停止位、2位停止位。
(4)讀寫串口:主要包括三部分內容:清空緩沖,清楚錯誤，讀寫串口數據
1).清空緩沖:串口第一次使用或者串口長時間沒用，再次使用時。讀寫串口之前，都需要進行清空緩沖
BOOL PurgeComm(HANDLE hFile,  DWORD dwFlags );
第二個參數dwFlags指定串口執行的動作，可以是以下值的組合：
  -PURGE_TXABORT:停止目前所有的傳輸工作立即返回不管是否完成傳輸動作。
  -PURGE_RXABORT:停止目前所有的讀取工作立即返回不管是否完成讀取動作。
  -PURGE_TXCLEAR:清除發送緩沖區的所有數據。
  -PURGE_RXCLEAR:清除接收緩沖區的所有數據。
如清除串口的所有操作和緩沖：PurgeComm(hComm, PURGE_RXCLEAR|PURGE_TXCLEAR|PURGE_RXABORT|PURGE_TXABORT);
2).清楚錯誤:清除通信錯誤以及獲取當前通信狀態。在讀寫操作之前，可以調用ClearCommError來清除錯誤和獲得緩沖區內數據大小。
OOL WINAPI ClearCommError(
    _In_       HANDLE hFile,//串口句柄
    _Out_opt_  LPDWORD lpErrors,//返回的錯誤碼
    _Out_opt_  LPCOMSTAT lpStat//返回的通訊狀態
    );
pErrors用來保存錯誤碼，具體對應的什么錯誤為：
    -CE_BREAK:檢測到中斷信號。意思是說檢測到某個字節數據缺少合法的停止位。
    -CE_FRAME:硬件檢測到幀錯誤。
    -CE_IOE:通信設備發生輸入/輸出錯誤。
    -CE_MODE:設置模式錯誤，或是hFile值錯誤。
    -CE_OVERRUN:溢出錯誤，緩沖區容量不足，數據將丟失。
    -CE_RXOVER:溢出錯誤。
    -CE_RXPARITY:硬件檢查到校驗位錯誤。
    -CE_TXFULL:發送緩沖區已滿。
lpStat為指向_COMSTAT結構的指針，保存通訊狀態。一般我們只關心這個結構中的兩個成員：cbInQue、cbOutQue，分別表示輸入緩沖區中的字節數、輸出緩沖區中的字節數。
3).讀寫串口數據:WriteFile()向串口中寫數據，ReadFile()從串口讀數據
BOOL WINAPI ReadFile(
    _In_  HANDLE hFile,//文件句柄
    _Out_ LPVOID lpBuffer,//指向一個緩沖區，保存讀取的數據
    _In_  DWORD nNumberOfBytesToRead,//要讀取數據的字節數，如果實際讀取的字節數小於這個數的話函數會一直等待直到超時
    _Out_opt_  LPDWORD lpNumberOfBytesRead,//實際讀取的字節數
    _Inout_opt_  LPOVERLAPPED lpOverlapped//指向一個OVERLAPPED結構，用於異步操作
    );
BOOL WINAPI WriteFile(
    _In_         HANDLE hFile,//文件句柄
    _In_         LPCVOID lpBuffer,//指向一個緩沖區，包含要寫入的數據
    _In_         DWORD nNumberOfBytesToWrite,//要寫入數據的字節數
    _Out_opt_    LPDWORD lpNumberOfBytesWritten,//實際寫入的字節數
    _Inout_opt_  LPOVERLAPPED lpOverlapped//指向一個OVERLAPPEN結構體，用於異步操作
    );
使用這兩個函數進行串口讀寫時有兩個地方需要注意：
第一點：如果想要異步讀寫操作，則lpOverlappen參數不能為NULL，而且在CreateFile()打開文件時應指定FILE_FLAG_OVERLAPPEN標記。在異步讀寫操作的時候，ReadFile()和WriteFile()返回FALSE時應調用GetLastError函數分析返回的結果，如果是ERROR_IO_PENDING，這說明異步I/O操作正在進行。
第二點：在用ReadFile()讀文件時，如果想要讀取的數據大小比文件內容大，則只會讀取文件大小的數據。而讀串口時，如果想要讀取的數據比緩沖區中數據大，則ReadFile()會阻塞，直到數據到達或者超時。
另外還需要說明的是：函數WriteFileEx()與ReadFileEx()只能用於異步讀寫操作，而且可以設置一個讀寫完成后自動調用的回調函數，函數執行成功返回TRUE，表示異步I/O操作開始，出錯返回FALSE。

3.異步讀寫串口：在串口編程中，可以先設置好串口所關注的事件，然后啟動一個輔助線程來監聽該事件是否已經發生，如果沒有發生的話該線程就一直等待，當事件發生后，如讀緩沖區中收到數據，該線程可以向主線程窗體發送對應事件消息提示進行讀串口處理，或者在輔助線程中直接進行異步讀寫串口處理。

4.監聽串口事件和異步讀寫串口:
(1)設置串口監聽事件SetCommMask函數:
BOOL SetCommMask(HANDLE hFile,  DWORD dwEvtMask);
參數：
hFile為串口句柄，
dwEvtMask為要監視的串口事件掩碼，可以有以下位值：
    EV_RXCHAR:輸入緩沖區中收到數據
    EV_TXEMPTY:輸出緩沖區中的數據已被完全送出
    EV_RXFLAG:使用SetCommState()函數設置的DCB結構中的事件字符已被傳入輸入緩沖區中
(2)事件設置好以后可以使用WaitCommEvent()來判斷事件是否已經發生
BOOL WINAPI WaitCommEvent(_In_   HANDLE hFile,_Out_  LPDWORD lpEvtMask,_In_   LPOVERLAPPED lpOverlapped);
參數:
hFile：串口句柄
lpEvtMask:檢測到串口通信事件的話就將其寫入該參數中。
lpOverlapped：指向一個重疊結構，如果串口打開時指定了FILE_FLAG_OVERLAPPED標志 ，則改參數不能為NULL，且重疊結構中 應該包含一個事件對象對象句柄（通過CreateEvent()創建）。
如果不是異步讀寫的話，WaitCommEvent()會一直等待事件的發生，如果異步讀寫沒有立即完成的話函數會直接返回FALSE，調用GetLastError()會返回ERROR_IO_PENDING
目前發現了一個BUG：如果CloseHandle()關閉串口的時候，WaitCommEvent()還在等待事件，那么程序就會出現卡死現象，而且在同步讀寫下很容易發生這種情況。 MSDN上說如果是重疊操作的話再次調用SetCommMask()改變事件掩碼將會使WaitCommEvent()立即返回，但我試了下在同步讀寫情況下這種方法不管用，不知道重疊操作的情況是否真的管用！

5.異步讀寫串口
重疊模型是異步I/O方式中一種，所以可以使用重疊操作來實現異步讀寫串口。前面說過，如果重疊操作不能立即完成，則WaitCommEvent()返回FALSE，GetLastError()會返回ERROR_IO_PENDING，表示操作正在后台進行，在WaitCommEvent返回之前，參數重疊結構中的hEvent成員會被設置為無信號狀態，如果當事件發生或錯誤發生時，其被設置為有信號狀態，應用程序可以調用wait functions（WaitForSingleObject、WaitForSingleObjectEx等）來判斷事件對象的狀態，而WaitCommEvent()的參數lpEvtMask會保存具體發生的事件。
有兩種方法可以等待或者判斷重疊操作是否完成，一種是使用WaitForSingleObject()來等待讀寫函數中OVERLAPPED類型的參數的hEvent成員：當調用ReadFile, WriteFile 函數的時候，該成員會自動被置為無信號狀態；當重疊操作完成后，該成員變量會自動被置為有信號狀態。另一種方法是調用GetOverlappedResult()獲得重疊操作的狀態，來判斷重疊操作是否完成，函數原型：
BOOL WINAPI GetOverlappedResult(HANDLE hFile,//文件句柄
                                LPOVERLAPPED lpOverlapped,//指向欲檢查的重疊結構
                                LPDWORD lpNumberOfBytesTransferred,//返回重疊操作(讀或寫)的字節數
                                BOOL bWait
                                );
如果參數bWait為TRUE則函數會一直等待直到重疊結構中的hEvent變成有信號，即一直等到重疊操作完成；FALSE為如果檢測到pending狀態則立即返回，此時函數返回FALSE，GetLastError()返回值為ERROR_IO_INCOMPLETE。