java实现上位机与下位机串口通信

      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
      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。
step2:下载了那个jar包解压后会出现一下内容:


      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
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互界面。



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:



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:
/*
 * 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:


      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,可以使用java等编写独具风格的界面。对于数据校正部分,以上只给出了一种较简单的方式,在实际操作时可以采用与场景合适的数据校验方式。
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等更多功能。
      此上位机程序在github中,另外今后大部分博客都在简书平台上进行更新了,欢迎感兴趣的小伙伴们在文章下面留言,一块交流,共同进步。
CSDN博客:http://blog.csdn.net/cai2016
github:https://github.com/caizq2016

推荐阅读更多精彩内容