基于C#的串口通信系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

劉馬飛

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)完C#.NET程序設(shè)計課程后，雖然掌握了一定的C#軟件編程知識，但在如何編寫軟件程序驅(qū)動物聯(lián)網(wǎng)底層傳感設(shè)備，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)實際應(yīng)用時仍然束手無策。物聯(lián)網(wǎng)底層傳感設(shè)備大都為RS 232串口通信設(shè)備，文中給出一個有實用價值的簡單設(shè)計—基于C#的串口通信系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，練習(xí)使用所學(xué)的C#編程知識完成與物聯(lián)網(wǎng)底層設(shè)備的交互，加強物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)的編程能力。

關(guān)鍵詞：C#;RS 232;串口通信;程序設(shè)計;軟件編程;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）06-00-04

0 引 言

高職院校普遍將《C++程序設(shè)計》課程定為計算機大類專業(yè)的基礎(chǔ)主干課程，同時也是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、電子信息技術(shù)等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的教學(xué)安排中，大都在學(xué)習(xí)完C++，對程序控制、類和對象等概念有了基礎(chǔ)了解后，方才進一步學(xué)習(xí)C#程序設(shè)計。C#程序設(shè)計授課教師，尤其是來自軟件方向的教師，在課程教學(xué)中一般會把窗體程序界面設(shè)計等可視化程序設(shè)計作為授課主要內(nèi)容，常常忽略了與硬件設(shè)備交互的部分。因此物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)學(xué)生在進行綜合項目開發(fā)時，常常無從下手。物聯(lián)網(wǎng)底層傳感設(shè)備大都為單片機控制設(shè)備，其與外界通信的接口常采用RS 232串口[1]。在構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)時，需要計算機應(yīng)用程序與物聯(lián)網(wǎng)底層傳感設(shè)備進行通信交互，實現(xiàn)價值應(yīng)用。

為促進物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)人才的培養(yǎng)，無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院經(jīng)過精心設(shè)計，開設(shè)了《物聯(lián)設(shè)備編程與實施》課程，該課程的目的在于突出基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行C#軟件開發(fā)，旨在提升物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生的軟件開發(fā)能力和系統(tǒng)構(gòu)建能力，并將其打造成為職業(yè)教育物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫的主干核心課程[1-2]。該課程的核心教學(xué)內(nèi)容之一便是C#串口編程。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)學(xué)生中普遍存在因課外缺少串口硬件設(shè)備而無法練習(xí)串口編程內(nèi)容的問題。

為了讓學(xué)生能在課外學(xué)習(xí)C#串口編程知識，提高對課程內(nèi)容的掌握程度，本文介紹了一個基于C#的串口數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)案例，通過案例的介紹，指導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)學(xué)生使用所學(xué)的C#編程知識完成與物聯(lián)網(wǎng)底層設(shè)備的交互，提升構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的編程能力。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理及知識

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

C#串口數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)具有串口發(fā)送和串口接收功能。串口發(fā)送：通過點擊發(fā)送按鈕將發(fā)送文本框內(nèi)的字符串?dāng)?shù)據(jù)通過串口發(fā)送出去;串口接收：從串口接收數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)成字符串顯示到接收文本框中。為了便于學(xué)生在課后缺少串口設(shè)備的情況下也能進行程序調(diào)試，可通過虛擬串口軟件Virtual Serial Port Driver添加一對虛擬串口，該串口的數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)和常規(guī)串口調(diào)試助手可分別連接到這一對虛擬串口上，便于通過串口收發(fā)數(shù)據(jù)。

1.2 串口通信基礎(chǔ)

串口通信是指外設(shè)和計算機間通過數(shù)據(jù)信號線、地線、控制線等，按位進行傳輸數(shù)據(jù)的一種通信方式[3]。其中最常用的一種串行通信接口為RS 232C，其全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。RS 232串行口物理接口示意如圖1所示，其中2腳表示輸入引腳RXD，3腳表示輸出引腳TXD，5腳表示接地。RS 232C全雙工的兩端只需要如圖2所示連接三個引腳，便可進行全雙工通信。

傳感層設(shè)備常用的核心芯片是單片機，80C51單片機的P3口有兩個復(fù)用接口，分別為RXD和TXD，而這也是單片機進行串行通信的收發(fā)口，但單片機采用的是TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，+5 V表示邏輯1，0 V表示邏輯0;而RS 232電平標(biāo)準(zhǔn)要求+15 V或+13 V表示邏輯1，-15 V或-13 V表示邏輯0，所以需要通過MAX232芯片實現(xiàn)TTL電平與RS 232電平之間的轉(zhuǎn)換。

RS 232串口以字符幀為單位傳送數(shù)據(jù)，字符幀由起始位、數(shù)據(jù)位、校驗位以及停止位構(gòu)成，如圖3所示。起始位固定為1位，邏輯0表明字符幀開始;數(shù)據(jù)位的位數(shù)可選值為

5位、7位和8位，通常8意為8位對應(yīng)一個字節(jié)的8個比特。校驗位可選，進行校驗時，可以在偶、奇、高和低四種校驗方式中任選一種。停止位表示字符幀結(jié)束，一般取1，1.5和2位（邏輯1）。每個位的持續(xù)時間由波特率表示，典型取值為1 200 bps，2 400 bps，4 800 bps，9 600 bps，19 200 bps。對于兩個串口通信的設(shè)備而言，只有兩端的波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位以及停止位保持一致，才能保證發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都能夠被對方正確接收。串口通信系統(tǒng)界面如圖4所示。

1.3 C#串口控件

在C#.NET中提供SerialPort類用于完成串口通信操作，其屬于System.IO.Ports命名空間，在C#Windows窗體應(yīng)用程序中經(jīng)SerialPort類封裝成可視化控件SerialPort，使用可視化方式完成編程。SerialPort類的常用屬性和常用方法見表1和表2所列[1，4]。

SerialPort串口操作延續(xù)文件操作思想，在進行串口操作之前首先需要調(diào)用Open（）方法對打開串口;串口打開后，調(diào)用Write（）函數(shù)等將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送出去，再調(diào)用Read（）函數(shù)從串口接收對端發(fā)送的數(shù)據(jù)，串口操作完成后，需調(diào)用Close（）方法關(guān)閉串口。

應(yīng)用程序從串口讀取數(shù)據(jù)時，由于不知串口對端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)何時到達接收緩沖區(qū)，因而面臨著“不知何時讀”的困境，其解決方式通常有兩種，其一是開啟一個新的線程，不斷讀取串口數(shù)據(jù);其二是采用事件觸發(fā)方式。SerialPort封裝了自動觸發(fā)事件，設(shè)定有串口緩沖區(qū)接收到的字符個數(shù)（屬性ReceivedBytesThreshold值），當(dāng)接收緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)大于等于該值時，系統(tǒng)將自動觸發(fā)DataReceive事件。因此可以添加DataReceive事件的響應(yīng)函數(shù)，在該響應(yīng)函數(shù)中讀取數(shù)據(jù)。需要注意的是，事件觸發(fā)方式通過創(chuàng)建線程來實現(xiàn)，但監(jiān)聽線程的創(chuàng)建由C#內(nèi)部系統(tǒng)來完成，因此在代碼實現(xiàn)上更加簡便。

2 功能設(shè)計和程序?qū)崿F(xiàn)

2.1 窗體設(shè)計

在Visual Studio開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建如圖4所示的應(yīng)用程序窗體。程序運行時，首先選擇相應(yīng)的串口和波特率打開串口，串口打開后便可通過發(fā)送按鈕將發(fā)送文本框內(nèi)的字符串?dāng)?shù)據(jù)發(fā)送到串口對端，而串口接收到的數(shù)據(jù)將自動轉(zhuǎn)換成字符串顯示在接收文本框中。

2.2 邏輯實現(xiàn)及關(guān)鍵代碼

2.2.1 程序初始化

計算機存在多個串行口，因此程序運行時首先需要列出計算機所有可用串口供用戶選擇，同時進行程序邏輯初始化，確保串口未打開時無法點擊發(fā)送按鈕進行發(fā)送操作。因此添加窗口Load事件響應(yīng)函數(shù)，在Load事件響應(yīng)函數(shù)中完成上述初始化操作。

序使用SerialPort類而非SerialPort控件或編寫非Windows窗體應(yīng)用程序的C#程序時，需要定義SerialPort類對象作為成員對象，并進行SerialPort對象初始化和DataReceived事件響應(yīng)回調(diào)函數(shù)關(guān)聯(lián)操作，初始化通常在窗體構(gòu)造函數(shù)中進行。

2.2.4 串口接收數(shù)據(jù)

串口數(shù)據(jù)接收采用事件觸發(fā)方式，添加串口控件的DataReceived事件響應(yīng)函數(shù)，在該響應(yīng)函數(shù)中進行數(shù)據(jù)接收操作。接收時首先調(diào)用BytesToRead屬性，獲得串口字符個數(shù);其次定義與字符個數(shù)相對應(yīng)的字節(jié)數(shù)組;最后調(diào)用Read方法，把串口數(shù)據(jù)讀入字節(jié)數(shù)組，并將字節(jié)數(shù)組按指定編碼格式轉(zhuǎn)換回字符串進行顯示[5]。

由于事件觸發(fā)方式系統(tǒng)創(chuàng)建了監(jiān)聽線程進行串口接收緩沖區(qū)監(jiān)聽，當(dāng)接收緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)超過串口控件屬性ReceivedBytesThreshold值時，將產(chǎn)生DataReceived事件。當(dāng)DataReceived事件被處理時，才會調(diào)用DataReceived事件相應(yīng)函數(shù)，即spdemo_DataReceived。通常串口對端發(fā)送數(shù)據(jù)包的大小非固定，因此ReceivedBytesThreshold通常采用默認值1。當(dāng)串口接收緩沖區(qū)收到數(shù)據(jù)包第一個字節(jié)時，便輔助線程產(chǎn)生DataReceived事件。當(dāng)該DataReceived事件被處理時，有可能數(shù)據(jù)包還未接收完畢，因此可采用一個簡單但低效、不可靠的辦法執(zhí)行Thread.Sleep（10）操作使線程休眠100 ms，使得在執(zhí)行讀取操作時，數(shù)據(jù)包接收完畢[6]。

由于事件觸發(fā)方式中，DataReceived事件的響應(yīng)函數(shù)spdemo_DataReceived（）是在系統(tǒng)創(chuàng)建的輔助監(jiān)聽線程上執(zhí)行的，而窗體界面的控件則是在主線上創(chuàng)建的，因此為避免線程競爭，C#窗體編程只能創(chuàng)建控件的線程來操作控件數(shù)據(jù)，禁止跨線程訪問控件資源。因此需要使用Invoke或BeginInvoke方法，通過委托調(diào)用封送到主線程上執(zhí)行，具體實現(xiàn)：this.Invoke（（EventHandler）（delegate{界面控件使用}））。

2.3 系統(tǒng)改進及擴展

本系統(tǒng)設(shè)計本著可用、簡單的原則，設(shè)計了字符串文本的發(fā)送和接收顯示，方便學(xué)生實現(xiàn)。一旦學(xué)生掌握了基本的實現(xiàn)方法，就可以在該基礎(chǔ)上完善功能，擴展應(yīng)用。例如設(shè)計溫濕度監(jiān)控應(yīng)用程序時通過RS 232串口連接傳感層單片機設(shè)備，接收傳感層設(shè)備通過串口上傳的溫度濕度等傳感數(shù)據(jù)并展示。設(shè)計硬件設(shè)備控制程序時，通過串口發(fā)送操作指令數(shù)據(jù)到底層執(zhí)行器設(shè)備，如控制LED燈進行相應(yīng)開關(guān)操作。以上每個改進都可以比較方便的實現(xiàn)，但要求學(xué)生有耐心并能自主學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和成就感。

系統(tǒng)在接收數(shù)據(jù)時，使用簡單的線程休眠等待數(shù)據(jù)包接收完成的辦法，在實際串口通信系統(tǒng)收發(fā)過程中將會造成數(shù)據(jù)包接收不完整以及接收處理速度慢等問題，因此需要考慮串口數(shù)據(jù)可靠、高效接收的解決方案。

3 結(jié) 語

本文通過基于C#的串口數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)案例，對《物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備編程與實施》課程中的核心知識內(nèi)容—C#串口編程進行了詳細闡述。通過介紹該項目，使得物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的學(xué)生深入了解應(yīng)用程序如何與硬件設(shè)備交互，加深了對C#串口編程知識的理解和運用，加強了構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的編程能力。

參 考 文 獻

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