在工業控制中，工控機（一般都基於Windows平臺）經常需要與智能儀表通過串口進行通信。串口通信方便易行，應用廣泛。
一般情況下，工控機和各智能儀表通過RS485總線進行通信。RS485的通信方式是半雙工的，只能由作爲主節點的工控PC機依次輪詢網絡上的各智能控制單元子節點。每次通信都是由PC機通過串口向智能控制單元發佈命令，智能控制單元在接收到正確的命令後作出應答。
在Win32下，可以使用兩種編程方式實現串口通信，其一是使用ActiveX控件，這種方法程序簡單，但欠靈活。其二是調用Windows的API函數，這種方法可以清楚地掌握串口通信的機制，並且自由靈活。本文我們只介紹API串口通信部分。
串口的操作可以有兩種操作方式：同步操作方式和重疊操作方式（又稱爲異步操作方式）。同步操作時，API函數會阻塞直到操作完成以後才能返回（在多線程方式中，雖然不會阻塞主線程，但是仍然會阻塞監聽線程）；而重疊操作方式，API函數會立即返回，操作在後臺進行，避免線程的阻塞。
無論那種操作方式，一般都通過四個步驟來完成：
（1） 打開串口
（2） 配置串口
（3） 讀寫串口
（4） 關閉串口
（1） 打開串口
Win32系統把文件的概念進行了擴展。無論是文件、通信設備、命名管道、郵件槽、磁盤、還是控制檯，都是用API函數CreateFile來打開或創建的。該函數的原型爲：
HANDLE CreateFile( LPCTSTR lpFileName, DWORD dwDesiredAccess, DWORD dwShareMode, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes, DWORD dwCreationDistribution, DWORD dwFlagsAndAttributes, HANDLE hTemplateFile);
- lpFileName：將要打開的串口邏輯名，如“COM1”；
- dwDesiredAccess：指定串口訪問的類型，可以是讀取、寫入或二者並列；
- dwShareMode：指定共享屬性，由於串口不能共享，該參數必須置爲0；
- lpSecurityAttributes：引用安全性屬性結構，缺省值爲NULL；
- dwCreationDistribution：創建標誌，對串口操作該參數必須置爲OPEN_EXISTING；
- dwFlagsAndAttributes：屬性描述，用於指定該串口是否進行異步操作，該值爲FILE_FLAG_OVERLAPPED，表示使用異步的I/O；該值爲0，表示同步I/O操作；
- hTemplateFile：對串口而言該參數必須置爲NULL；
同步I/O方式打開串口的示例代碼：
HANDLE hCom; //全局變量，串口句柄 hCom=CreateFile("COM1",//COM1口 GENERIC_READ|GENERIC_WRITE, //允許讀和寫 0, //獨佔方式 NULL, OPEN_EXISTING, //打開而不是創建 0, //同步方式 NULL); if(hCom==(HANDLE)-1) { AfxMessageBox("打開COM失敗!"); return FALSE; } return TRUE;
重疊I/O打開串口的示例代碼：
HANDLE hCom; //全局變量，串口句柄 hCom =CreateFile("COM1", //COM1口 GENERIC_READ|GENERIC_WRITE, //允許讀和寫 0, //獨佔方式 NULL, OPEN_EXISTING, //打開而不是創建 FILE_ATTRIBUTE_NORMAL|FILE_FLAG_OVERLAPPED, //重疊方式 NULL); if(hCom ==INVALID_HANDLE_VALUE) { AfxMessageBox("打開COM失敗!"); return FALSE; } return TRUE;
（2）、配置串口
在打開通訊設備句柄後，常常需要對串口進行一些初始化配置工作。這需要通過一個DCB結構來進行。DCB結構包含了諸如波特率、數據位數、奇偶校驗和停止位數等信息。在查詢或配置串口的屬性時，都要用DCB結構來作爲緩衝區。
一般用CreateFile打開串口後，可以調用GetCommState函數來獲取串口的初始配置。要修改串口的配置，應該先修改DCB結構，然後再調用SetCommState函數設置串口。
DCB結構包含了串口的各項參數設置，下面僅介紹幾個該結構常用的變量：
typedef struct _DCB{ ……… //波特率，指定通信設備的傳輸速率。這個成員可以是實際波特率值或者下面的常量值之一： DWORD BaudRate; CBR_110，CBR_300，CBR_600，CBR_1200，CBR_2400，CBR_4800，CBR_9600，CBR_19200， CBR_38400， CBR_56000， CBR_57600， CBR_115200， CBR_128000， CBR_256000， CBR_14400 DWORD fParity; // 指定奇偶校驗使能。若此成員爲1，允許奇偶校驗檢查 … BYTE ByteSize; // 通信字節位數，4—8 BYTE Parity; //指定奇偶校驗方法。此成員可以有下列值： EVENPARITY 偶校驗 NOPARITY 無校驗 MARKPARITY 標記校驗 ODDPARITY 奇校驗 BYTE StopBits; //指定停止位的位數。此成員可以有下列值： ONESTOPBIT 1位停止位 TWOSTOPBITS 2位停止位 ONE5STOPBITS 1.5位停止位 ……… } DCB; winbase.h文件中定義了以上用到的常量。如下： #define NOPARITY 0 #define ODDPARITY 1 #define EVENPARITY 2 #define ONESTOPBIT 0 #define ONE5STOPBITS 1 #define TWOSTOPBITS 2 #define CBR_110 110 #define CBR_300 300 #define CBR_600 600 #define CBR_1200 1200 #define CBR_2400 2400 #define CBR_4800 4800 #define CBR_9600 9600 #define CBR_14400 14400 #define CBR_19200 19200 #define CBR_38400 38400 #define CBR_56000 56000 #define CBR_57600 57600 #define CBR_115200 115200 #define CBR_128000 128000 #define CBR_256000 256000
GetCommState函數可以獲得COM口的設備控制塊，從而獲得相關參數：
BOOL GetCommState( HANDLE hFile, //標識通訊端口的句柄 LPDCB lpDCB //指向一個設備控制塊（DCB結構）的指針 ); SetCommState函數設置COM口的設備控制塊： BOOL SetCommState( HANDLE hFile, LPDCB lpDCB );
除了在BCD中的設置外，程序一般還需要設置I/O緩衝區的大小和超時。Windows用I/O緩衝區來暫存串口輸入和輸出的數據。如果通信的速率較高，則應該設置較大的緩衝區。調用SetupComm函數可以設置串行口的輸入和輸出緩衝區的大小。
BOOL SetupComm( HANDLE hFile, // 通信設備的句柄 DWORD dwInQueue, // 輸入緩衝區的大小（字節數） DWORD dwOutQueue // 輸出緩衝區的大小（字節數） );
在用ReadFile和WriteFile讀寫串行口時，需要考慮超時問題。超時的作用是在指定的時間內沒有讀入或發送指定數量的字符，ReadFile或WriteFile的操作仍然會結束。要查詢當前的超時設置應調用GetCommTimeouts函數，該函數會填充一個COMMTIMEOUTS結構。調用SetCommTimeouts可以用某一個COMMTIMEOUTS結構的內容來設置超時。
讀寫串口的超時有兩種：間隔超時和總超時。間隔超時是指在接收時兩個字符之間的最大時延。總超時是指讀寫操作總共花費的最大時間。寫操作只支持總超時，而讀操作兩種超時均支持。用COMMTIMEOUTS結構可以規定讀寫操作的超時。
COMMTIMEOUTS結構的定義爲：
typedef struct _COMMTIMEOUTS { DWORD ReadIntervalTimeout; //讀間隔超時 DWORD ReadTotalTimeoutMultiplier; //讀時間係數 DWORD ReadTotalTimeoutConstant; //讀時間常量 DWORD WriteTotalTimeoutMultiplier; // 寫時間係數 DWORD WriteTotalTimeoutConstant; //寫時間常量 } COMMTIMEOUTS,*LPCOMMTIMEOUTS;
COMMTIMEOUTS結構的成員都以毫秒爲單位。總超時的計算公式是：總超時＝時間係數×要求讀/寫的字符數＋時間常量
例如，要讀入10個字符，那麼讀操作的總超時的計算公式爲：
讀總超時＝ReadTotalTimeoutMultiplier×10＋ReadTotalTimeoutConstant
可以看出：間隔超時和總超時的設置是不相關的，這可以方便通信程序靈活地設置各種超時。
如果所有寫超時參數均爲0，那麼就不使用寫超時。如果ReadIntervalTimeout爲0，那麼就不使用讀間隔超時。如果ReadTotalTimeoutMultiplier 和 ReadTotalTimeoutConstant 都爲0，則不使用讀總超時。如果讀間隔超時被設置成MAXDWORD並且讀時間係數和讀時間常量都爲0，那麼在讀一次輸入緩衝區的內容後讀操作就立即返回，而不管是否讀入了要求的字符。
在用重疊方式讀寫串口時，雖然ReadFile和WriteFile在完成操作以前就可能返回，但超時仍然是起作用的。在這種情況下，超時規定的是操作的完成時間，而不是ReadFile和WriteFile的返回時間。
配置串口的示例代碼：
SetupComm(hCom,1024,1024); //輸入緩衝區和輸出緩衝區的大小都是1024 COMMTIMEOUTS TimeOuts; //設定讀超時 TimeOuts.ReadIntervalTimeout=1000; TimeOuts.ReadTotalTimeoutMultiplier=500; TimeOuts.ReadTotalTimeoutConstant=5000; //設定寫超時 TimeOuts.WriteTotalTimeoutMultiplier=500; TimeOuts.WriteTotalTimeoutConstant=2000; SetCommTimeouts(hCom,&TimeOuts); //設置超時 DCB dcb; GetCommState(hCom,&dcb); dcb.BaudRate=9600; //波特率爲9600 dcb.ByteSize=8; //每個字節有8位 dcb.Parity=NOPARITY; //無奇偶校驗位 dcb.StopBits=TWOSTOPBITS; //兩個停止位 SetCommState(hCom,&dcb); PurgeComm(hCom,PURGE_TXCLEAR|PURGE_RXCLEAR);
在讀寫串口之前，還要用PurgeComm()函數清空緩衝區，該函數原型：
BOOL PurgeComm( HANDLE hFile, //串口句柄 DWORD dwFlags // 需要完成的操作 );
參數dwFlags指定要完成的操作，可以是下列值的組合：
PURGE_TXABORT 中斷所有寫操作並立即返回，即使寫操作還沒有完成。 PURGE_RXABORT 中斷所有讀操作並立即返回，即使讀操作還沒有完成。 PURGE_TXCLEAR 清除輸出緩衝區 PURGE_RXCLEAR 清除輸入緩衝區
（3）、讀寫串口
我們使用ReadFile和WriteFile讀寫串口，下面是兩個函數的聲明：
BOOL ReadFile( HANDLE hFile, //串口的句柄 // 讀入的數據存儲的地址， // 即讀入的數據將存儲在以該指針的值爲首地址的一片內存區 LPVOID lpBuffer, DWORD nNumberOfBytesToRead, // 要讀入的數據的字節數 // 指向一個DWORD數值，該數值返回讀操作實際讀入的字節數 LPDWORD lpNumberOfBytesRead, // 重疊操作時，該參數指向一個OVERLAPPED結構，同步操作時，該參數爲NULL。 LPOVERLAPPED lpOverlapped ); BOOL WriteFile( HANDLE hFile, //串口的句柄 // 寫入的數據存儲的地址， // 即以該指針的值爲首地址的nNumberOfBytesToWrite // 個字節的數據將要寫入串口的發送數據緩衝區。 LPCVOID lpBuffer, DWORD nNumberOfBytesToWrite, //要寫入的數據的字節數 // 指向指向一個DWORD數值，該數值返回實際寫入的字節數 LPDWORD lpNumberOfBytesWritten, // 重疊操作時，該參數指向一個OVERLAPPED結構， // 同步操作時，該參數爲NULL。 LPOVERLAPPED lpOverlapped );
在用ReadFile和WriteFile讀寫串口時，既可以同步執行，也可以重疊執行。在同步執行時，函數直到操作完成後才返回。這意味着同步執行時線程會被阻塞，從而導致效率下降。在重疊執行時，即使操作還未完成，這兩個函數也會立即返回，費時的I/O操作在後臺進行。ReadFile和WriteFile函數是同步還是異步由CreateFile函數決定，如果在調用CreateFile創建句柄時指定了FILE_FLAG_OVERLAPPED標誌，那麼調用ReadFile和WriteFile對該句柄進行的操作就應該是重疊的；如果未指定重疊標誌，則讀寫操作應該是同步的。ReadFile和WriteFile函數的同步或者異步應該和CreateFile函數相一致。
ReadFile函數只要在串口輸入緩衝區中讀入指定數量的字符，就算完成操作。而WriteFile函數不但要把指定數量的字符拷入到輸出緩衝區，而且要等這些字符從串行口送出去後纔算完成操作。
如果操作成功，這兩個函數都返回TRUE。需要注意的是，當ReadFile和WriteFile返回FALSE時，不一定就是操作失敗，線程應該調用GetLastError函數分析返回的結果。例如，在重疊操作時如果操作還未完成函數就返回，那麼函數就返回FALSE，而且GetLastError函數返回ERROR_IO_PENDING。這說明重疊操作還未完成。
同步方式讀寫串口比較簡單，下面先例舉同步方式讀寫串口的代碼：
//同步讀串口 char str[100]; DWORD wCount;//讀取的字節數 BOOL bReadStat; bReadStat=ReadFile(hCom,str,100,&wCount,NULL); if(!bReadStat) { AfxMessageBox("讀串口失敗!"); return FALSE; } return TRUE; //同步寫串口 char lpOutBuffer[100]; DWORD dwBytesWrite=100; COMSTAT ComStat; DWORD dwErrorFlags; BOOL bWriteStat; ClearCommError(hCom,&dwErrorFlags,&ComStat); bWriteStat=WriteFile(hCom,lpOutBuffer,dwBytesWrite,& dwBytesWrite,NULL); if(!bWriteStat) { AfxMessageBox("寫串口失敗!"); } PurgeComm(hCom, PURGE_TXABORT| PURGE_RXABORT|PURGE_TXCLEAR|PURGE_RXCLEAR);
在重疊操作時,操作還未完成函數就返回。重疊I/O非常靈活，它也可以實現阻塞（例如我們可以設置一定要讀取到一個數據才能進行到下一步操作）。有兩種方法可以等待操作完成：一種方法是用象WaitForSingleObject這樣的等待函數來等待OVERLAPPED結構的hEvent成員；另一種方法是調用GetOverlappedResult函數等待，後面將演示說明。
下面我們先簡單說一下OVERLAPPED結構和GetOverlappedResult函數：
OVERLAPPED結構
OVERLAPPED結構包含了重疊I/O的一些信息，定義如下：
typedef struct _OVERLAPPED { // o DWORD Internal; DWORD InternalHigh; DWORD Offset; DWORD OffsetHigh; HANDLE hEvent; } OVERLAPPED;
在使用ReadFile和WriteFile重疊操作時，線程需要創建OVERLAPPED結構以供這兩個函數使用。線程通過OVERLAPPED結構獲得當前的操作狀態，該結構最重要的成員是hEvent。hEvent是讀寫事件。當串口使用異步通訊時，函數返回時操作可能還沒有完成，程序可以通過檢查該事件得知是否讀寫完畢。當調用ReadFile, WriteFile 函數的時候，該成員會自動被置爲無信號狀態；當重疊操作完成後，該成員變量會自動被置爲有信號狀態。
GetOverlappedResult函數 BOOL GetOverlappedResult( HANDLE hFile, // 串口的句柄 // 指向重疊操作開始時指定的OVERLAPPED結構 LPOVERLAPPED lpOverlapped, // 指向一個32位變量，該變量的值返回實際讀寫操作傳輸的字節數。 LPDWORD lpNumberOfBytesTransferred, // 該參數用於指定函數是否一直等到重疊操作結束。 // 如果該參數爲TRUE，函數直到操作結束才返回。 // 如果該參數爲FALSE，函數直接返回，這時如果操作沒有完成， // 通過調用GetLastError()函數會返回ERROR_IO_INCOMPLETE。 BOOL bWait );
該函數返回重疊操作的結果，用來判斷異步操作是否完成，它是通過判斷OVERLAPPED結構中的hEvent是否被置位來實現的。異步讀串口的示例代碼：
char lpInBuffer[1024]; DWORD dwBytesRead=1024; COMSTAT ComStat; DWORD dwErrorFlags; OVERLAPPED m_osRead; memset(&m_osRead,0,sizeof(OVERLAPPED)); m_osRead.hEvent=CreateEvent(NULL,TRUE,FALSE,NULL); ClearCommError(hCom,&dwErrorFlags,&ComStat); dwBytesRead=min(dwBytesRead,(DWORD)ComStat.cbInQue); if(!dwBytesRead) return FALSE; BOOL bReadStatus; bReadStatus=ReadFile(hCom,lpInBuffer, dwBytesRead,&dwBytesRead,&m_osRead); if(!bReadStatus) //如果ReadFile函數返回FALSE { if(GetLastError()==ERROR_IO_PENDING) //GetLastError()函數返回ERROR_IO_PENDING,表明串口正在進行讀操作 { WaitForSingleObject(m_osRead.hEvent,2000); //使用WaitForSingleObject函數等待，直到讀操作完成或延時已達到2秒鐘 //當串口讀操作進行完畢後，m_osRead的hEvent事件會變爲有信號 PurgeComm(hCom, PURGE_TXABORT| PURGE_RXABORT|PURGE_TXCLEAR|PURGE_RXCLEAR); return dwBytesRead; } return 0; } PurgeComm(hCom, PURGE_TXABORT| PURGE_RXABORT|PURGE_TXCLEAR|PURGE_RXCLEAR); return dwBytesRead;
對以上代碼再作簡要說明：在使用ReadFile 函數進行讀操作前，應先使用ClearCommError函數清除錯誤。ClearCommError函數的原型如下：
BOOL ClearCommError( HANDLE hFile, // 串口句柄 LPDWORD lpErrors, // 指向接收錯誤碼的變量 LPCOMSTAT lpStat // 指向通訊狀態緩衝區 );
該函數獲得通信錯誤並報告串口的當前狀態，同時，該函數清除串口的錯誤標誌以便繼續輸入、輸出操作。參數lpStat指向一個COMSTAT結構，該結構返回串口狀態信息。 COMSTAT結構 COMSTAT結構包含串口的信息，結構定義如下：
typedef struct _COMSTAT { // cst DWORD fCtsHold : 1; // Tx waiting for CTS signal DWORD fDsrHold : 1; // Tx waiting for DSR signal DWORD fRlsdHold : 1; // Tx waiting for RLSD signal DWORD fXoffHold : 1; // Tx waiting, XOFF char rec''d DWORD fXoffSent : 1; // Tx waiting, XOFF char sent DWORD fEof : 1; // EOF character sent DWORD fTxim : 1; // character waiting for Tx DWORD fReserved : 25; // reserved DWORD cbInQue; // bytes in input buffer DWORD cbOutQue; // bytes in output buffer } COMSTAT, *LPCOMSTAT;
本文只用到了cbInQue成員變量，該成員變量的值代表輸入緩衝區的字節數。最後用PurgeComm函數清空串口的輸入輸出緩衝區。
這段代碼用WaitForSingleObject函數來等待OVERLAPPED結構的hEvent成員，下面我們再演示一段調用GetOverlappedResult函數等待的異步讀串口示例代碼：
char lpInBuffer[1024]; DWORD dwBytesRead=1024; BOOL bReadStatus; DWORD dwErrorFlags; COMSTAT ComStat; OVERLAPPED m_osRead; ClearCommError(hCom,&dwErrorFlags,&ComStat); if(!ComStat.cbInQue) return 0; dwBytesRead=min(dwBytesRead,(DWORD)ComStat.cbInQue); bReadStatus=ReadFile(hCom, lpInBuffer,dwBytesRead, &dwBytesRead,&m_osRead); if(!bReadStatus) //如果ReadFile函數返回FALSE { if(GetLastError()==ERROR_IO_PENDING) { GetOverlappedResult(hCom, &m_osRead,&dwBytesRead,TRUE); // GetOverlappedResult函數的最後一個參數設爲TRUE， //函數會一直等待，直到讀操作完成或由於錯誤而返回。 return dwBytesRead; } return 0; } return dwBytesRead;
異步寫串口的示例代碼：
char buffer[1024]; DWORD dwBytesWritten=1024; DWORD dwErrorFlags; COMSTAT ComStat; OVERLAPPED m_osWrite; BOOL bWriteStat; bWriteStat=WriteFile(hCom,buffer,dwBytesWritten, &dwBytesWritten,&m_OsWrite); if(!bWriteStat) { if(GetLastError()==ERROR_IO_PENDING) { WaitForSingleObject(m_osWrite.hEvent,1000); return dwBytesWritten; } return 0; } return dwBytesWritten;
（4）、關閉串口
利用API函數關閉串口非常簡單，只需使用CreateFile函數返回的句柄作爲參數調用CloseHandle即可：
BOOL CloseHandle(
HANDLE hObject; //handle to object to close
);
