java实现上位机与下位机串口通信

向右看齐 2022-07-13 04:29 555阅读 0赞

## 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** ##

## 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][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][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包解压后会出现一下内容： ##

![这里写图片描述][SouthEast]

## 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复制在安转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\

## 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][http_jingyan.baidu.com_article_ca41422fc76c4a1eae99ed9f.html] ##

## step 3：RXTXComm Api如何使用 ##

## 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： ##

/*类方法 不可改变 不接受继承
         * 扫描获取可用的串口
         * 将可用串口添加至list并保存至list
         */
        public static final ArrayList<String> uartPortUseAblefind()
        {
            //获取当前所有可用串口 
            //由CommPortIdentifier类提供方法
            Enumeration<CommPortIdentifier> portList=CommPortIdentifier.getPortIdentifiers();
            ArrayList<String> portNameList=new ArrayList();
            //添加并返回ArrayList
            while(portList.hasMoreElements())
            {
                String portName=portList.nextElement().getName();
                portNameList.add(portName); 
            }
            return portNameList;
        }

## 以下是测试类的测试实例： ##

ArrayList<String> arraylist=UARTParameterSetup.uartPortUseAblefind();
            int useAbleLen=arraylist.size();
            if(useAbleLen==0)
            {
                System.out.println("没有找到可用的串口端口，请check设备！");
            }
            else
            {   
                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));
                    //测试串口配置的相关方法
                } 
            }

## 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： ##

![这里写图片描述][SouthEast 1]

## 以下是对串口设置主要代码： ##

/*
         * 串口常见设置
         * 1)打开串口
         * 2)设置波特率 根据单板机的需求可以设置为57600 ...
         * 3)判断端口设备是否为串口设备
         * 4)端口是否占用
         * 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;
            try 
            {  //通过端口名识别串口
               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！");
                   //进一步强制类型转换
                   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
                   //8位数据位
                   //1位停止位
                   //无奇偶校验
                   serialPort.setSerialPortParams(baudrate, SerialPort.DATABITS_8,SerialPort.STOPBITS_1, SerialPort.PARITY_NONE);
                   //串口配制完成 log
                   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");
               }
               //不是串口
               else
               {
                   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) 
            {
                e.printStackTrace();
            } 
            catch (PortInUseException e) 
            {
                e.printStackTrace();
            } 
            catch (UnsupportedCommOperationException e)
            {
                e.printStackTrace();
            }
    
            return serialPort;      
        }

## 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： ##

![这里写图片描述][SouthEast 2]

## 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。 ##

![这里写图片描述][SouthEast 3]

## 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： ##

/*
     * 串口数据发送以及数据传输作为一个类
     * 该类做主要实现对数据包的传输至下单板机
     */
    class DataTransimit
    {
    
        /*
         * 上位机往单板机通过串口发送数据
         * 串口对象 seriesPort 
         * 数据帧:dataPackage
         * 发送的标志:数据未发送成功抛出一个异常
         */
        public static void uartSendDatatoSerialPort(SerialPort serialPort,byte[] dataPackage)
        {
            OutputStream out=null;
            try
            {
                out=serialPort.getOutputStream();
                out.write(dataPackage);
                out.flush();
            } catch (IOException e) 
            {
                e.printStackTrace();
            }finally
            {
                //关闭输出流
                if(out!=null)
                {
                    try 
                    {
                        out.close();
                        out=null;
                        System.out.println("数据已发送完毕!");
                    } catch (IOException e) 
                    {
                        e.printStackTrace();
                    }   
                }
            }           
         }
        /*
         * 上位机接收数据
         * 串口对象seriesPort
         * 接收数据buffer
         * 返回一个byte数组
         */
        public  static  byte[] uartReceiveDatafromSingleChipMachine(SerialPort serialPort)
        {
            byte[] receiveDataPackage=null;
            InputStream in=null;
            try 
            {
                in=serialPort.getInputStream();
                //获取data buffer数据长度
                int bufferLength=in.available();
                while(bufferLength!=0)
                {
                    receiveDataPackage=new byte[bufferLength];
                    in.read(receiveDataPackage);
                    bufferLength=in.available();
    
                }
            } 
            catch (IOException e) 
            {
                e.printStackTrace();
            }
            return receiveDataPackage;
        }

## 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。 ##

## 1） 系统时间的获取 ##

## 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。 ##

## 以下是获取当前系统时间代码： ##

public static String getCurrentDateTime()
        {
            //单例模式
             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;
             return curerentDateTime;  
        }

## 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。 ##

/*
         * 将以上时间字符串进行隔开用byte[]保存
         */
        public static byte[] dateTimeBytesGet(String currenDateTime)
        {
            //对当前时间参数进行格式判断
            //对格式进行判断
            int rawDataSize=6;
            byte[] dateTimeBytes=new byte[rawDataSize+1];
            String[] currentDateTimeSplit=currenDateTime.split(" ");
            if(currentDateTimeSplit.length==rawDataSize)
            {
                //时间数据格式正确
                //eg 2016 12 23 22 18 26
                //使用byte[]进行存储时需要 -128~+127
                //对于年份使用两个byte存储
                for(int dataIndex=0;dataIndex<rawDataSize;dataIndex++)
                {
                    int dateTemp=Integer.parseInt(currentDateTimeSplit[dataIndex]);
                    if(dataIndex==0)
                    {
                        byte H8bits=(byte)((dateTemp)>>8);
                        byte L8bits=(byte)((dateTemp)&0xff);
                        dateTimeBytes[dataIndex]= H8bits;
                        dateTimeBytes[dataIndex+1]= L8bits;
                    }
                    dateTimeBytes[dataIndex+1]=(byte)dateTemp;
                }
            }else
            {
                System.out.println("当前时间获取出现异常数据");
                System.exit(-1);
                dateTimeBytes=null;
            }
            return dateTimeBytes;
        }

## 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的高低字节以及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： ##

/*
        * 将数组封装成帧
        * 每一个数据帧由以下几个部分组成
        * 1)数据包头部 head 0X2F
        * 2)数据包命令 CMD  0X5A
        * 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)
        * 5)数据结尾标志 tail OX30
        * 6)可采用线程进行获取当前时间
        */
        public static byte[] makeCurrentDateTimefromStringtoFramePackage(byte[] dateTimeBytes)
        {
            //在时间byte[]前后添加一些package校验信息
            int dataLength=13;
            byte[] terimalTimePackage=new byte[dataLength];
            //装填信息
            //时间数据包之前的信息
            terimalTimePackage[0]=0x2F;
            terimalTimePackage[1]=0X5A;
            terimalTimePackage[2]=7;
            //计算校验和
            //转化为无符号进行校验
            for(int dataIndex=0;dataIndex<dateTimeBytes.length;dataIndex++)
            {
                terimalTimePackage[dataIndex+3]=dateTimeBytes[dataIndex];
            }
            //将校验和分为高低字节
            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
            //数据包结尾
            terimalTimePackage[12]=0X30;
            return terimalTimePackage;
        }

## 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。 ##

/*
         * 对时间格式进行解析并还原原来的时间格式
         * 对数据进行还原
         * 仅限于debug使用
         */
        public static String dateTimeBytesfromTostring(byte[] currentDateTime)
        {
            String string="";
            if(currentDateTime.length==7)
            {
              string=((currentDateTime[0]<<8)+bytetoUnsigendInt(currentDateTime[1]))+" "+currentDateTime[2]+" "+
              currentDateTime[3]+" "+currentDateTime[4]+" "+currentDateTime[5]+" "+
              currentDateTime[6];
            }
    
            return string;
        }
    
        /*
         * 将byte转化为字符串
         * 将有符号byte转化为无符号数字
         * debug使用
         */
        public  static int bytetoUnsigendInt(byte aByte)
        {
            String s=String.valueOf(aByte);
            //System.out.println(s);
            int bytetoUnsigendInt=0;
            for(int i=0;i<s.length();i++)
            {
                if(s.charAt(i)!='0')
                {
                    bytetoUnsigendInt+=1<<(7-i);
                }
            }
            return bytetoUnsigendInt;
        }

## 2）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： ##

//取出第一个COM端口进行测试
                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
                //System.exit(0);
                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(str);
                //System.out.println(SystemDateTimeGet.bytetoUnsigendInt((byte) -32));
                byte[] terimalTimeByte=SystemDateTimeGet.makeCurrentDateTimefromStringtoFramePackage(bytes);
                System.out.println(Arrays.toString(terimalTimeByte));
                DataTransimit.uartSendDatatoSerialPort(serialPort, terimalTimeByte);

## 以下是测试结果： ##

## 当没有串口设备接入计算机时控制台打印一条信息： ##

没有找到可用的串口端口，请check设备！

## 当RS485设备接入计算机时，控制台打印消息如下： ##

![这里写图片描述][SouthEast 4]

## 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。 ##

[http_files.cnblogs.com_files_Dreamer-1_mfz-rxtx-2.2-20081207-win-x86.zip_32bit]: http://files.cnblogs.com/files/Dreamer-1/mfz-rxtx-2.2-20081207-win-x86.zip%2832bit
[http_files.cnblogs.com_files_Dreamer-1_mfz-rxtx-2.2-20081207-win-x64.zip]: http://files.cnblogs.com/files/Dreamer-1/mfz-rxtx-2.2-20081207-win-x64.zip
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[SouthEast 1]: /images/20220713/e8933b7752c5435aa814c2f6f8fb09ad.png
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[SouthEast 3]: /images/20220713/c21175f0b6354ce1878ad7559f0b1eb1.png
[SouthEast 4]: /images/20220713/815d2125e6b8471f94af9c65ca61e549.png