串行接口是一種可以將接受來自CPU的并行數據字符轉換為連續的串行數據流發送出去，同時可將接受的串行數據流轉換為并行的數據字符供給CPU的器件。一般完成這種功能的電路，我們稱為串行接口電路。

串口通信結構

串口通信是指外設和計算機間，通過數據信號線 、地線、控制線等，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，但其傳輸速度比并行傳輸低。

串口是計算機上一種非常通用的設備通信協議。大多數計算機（不包括筆記本電腦）包含兩個基于RS-232的串口。串口同時也是儀器儀表設備通用的通信協議；很多GPIB兼容的設備也帶有RS-232口。同時，串口通信協議也可以用于獲取遠程采集設備的數據。

RS-232（ANSI/EIA-232標準）是IBM-PC及其兼容機上的串行連接標準。可用于許多用途，比如連接鼠標、打印機或者Modem，同時也可以接工業儀器儀表。用于驅動和連線的改進，實際應用中RS-232的傳輸長度或者速度常常超過標準的值。RS-232只限于PC串口和設備間點對點的通信。RS-232串口通信最遠距離是50英尺。

串口通信

串口通信是在工程應用中很常見。在上位機與下位機通訊過程中常通過有線的串口進行通信，在低速傳輸模式下串口通信得到廣泛使用。在說個之前先來簡單解釋一下上位機與下位機的概念。

上位機與下位機設計

通常上位機指的是PC，下位機指的是單片機或者帶微處理器的系統。下位機一般是將模擬信號經過AD采集將模擬量轉換為數字量，下位機再經過數字信號處理以后將數字信號通過串口發送到上位機，相反上位機可以給下位機發送一些指令或者信息。常見的通信串口包括RS232、RS485、RS422等。這些串口只是在電平特性有所不同，在上位機與下位機進行數據通信時可以不考慮電平特性，而且現在在硬件上有各種轉接接口，使用起來也很方便。

當然在通常做簡單的串口UART實驗時我們可以使用各種各樣的串口助手小軟件，但是這些串口小工具有時候并不能很好滿足需求，那就嘗試著自己寫一套屬于自己的串口助手？接下來說說如何使用java實現上位機與下位機之間的RS485串口通信。

step 1：下載支持java串口通信的jar包，這里給出下載地址：

http://files.cnblogs.com/files/Dreamer-1/mfz-rxtx-2.2-20081207-win-x86.zip（32bit 下載地址）

http://files.cnblogs.com/files/Dreamer-1/mfz-rxtx-2.2-20081207-win-x64.zip （64位下載地址）

對以上的版本解釋一下，因為本人在這里踩了一個坑，32位或者64位是與ecplise/myecplise一致，要是版本弄錯了會報錯。

step 2：下載了那個jar包解壓后會出現以下內容：

這個文件夾里面需要注意兩點：jar包RXTXcomm需要導入到java工程里面去。另外就是需要將rxtxParallel.dll與rxtxSerial.dll復制在安裝JDK的bin文件下和jre的bin文件夾下面，這樣才能保證能夠正常使用這個jar包。以下是將兩個dll文件復制的位置：

C：Program Files （x86）Javajdk1.8.0_25in

C：Program Files （x86）Javajdk1.8.0_25jrein12

怎么講jar包導入java工程里面就是比較簡單的操作，可以參考：http://jingyan.baidu.com/arTIcle/ca41422fc76c4a1eae99ed9f.html

step 3：RXTXComm Api如何使用

接下來就是使用該導入jar包進行編碼實現串口通信的功能了。在編碼之前先來理一理串口通信的主要環節，本人總結主要分為以下幾點：

1）計算機首先需要進行硬件check，查找是否有可用的COM端口，并對該對端口進行簡要判斷，包括這些端口是否是串口，是否正在使用。以下是部分主要代碼：

/*類方法 不可改變 不接受繼承

* 掃描獲取可用的串口

* 將可用串口添加至list并保存至list

*/

public staTIc final ArrayList《String》 uartPortUseAblefind（）

{

//獲取當前所有可用串口

//由CommPorTIdenTIfier類提供方法

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;

}123456789101112131415161718

以下是測試類的測試實例：

ArrayList《String》 arraylist=UARTParameterSetup.uartPortUseAblefind（）;

int useAbleLen=arraylist.size（）;

if（useAbleLen==0）

{

System.out.println（“沒有找到可用的串口端口，請check設備！”）;

}

else

{

System.out.println（“已查詢到該計算機上有以下端口可以使用：”）;

for（int index=0;index《arraylist.size（）;index++）

{

System.out.println（“該COM端口名稱：”+arraylist.get（index））;

//測試串口配置的相關方法

}

} 123456789101112131415

2）通過計算機對串口的自檢后，可以對串口參數進行簡單的配置。常見的配置可以從常見的串口助手中得到啟發。以下是一個串口助手的人機交換界面：

以下是對串口設置主要代碼：

/*

* 串口常見設置

* 1）打開串口

* 2）設置波特率 根據單板機的需求可以設置為57600 。。。

* 3）判斷端口設備是否為串口設備

* 4）端口是否占用

* 5）對以上條件進行check以后返回一個串口設置對象new UARTParameterSetup（）

* 6）return：返回一個SerialPort一個實例對象，若判定該com口是串口則進行參數配置

* 若不是則返回SerialPort對象為null

*/

public static final SerialPort portParameterOpen（String portName，int baudrate）

{

SerialPort serialPort=null;

try

{ //通過端口名識別串口

CommPortIdentifier portIdentifier = CommPortIdentifier.getPortIdentifier（portName）;

//打開端口并設置端口名字 serialPort和超時時間 2000ms

CommPort commPort=portIdentifier.open（portName，1000）;

//進一步判斷comm端口是否是串口 instanceof

if（commPort instanceof SerialPort）

{

System.out.println（“該COM端口是串口！”）;

//進一步強制類型轉換

serialPort=（SerialPort）commPort;

//設置baudrate 此處需要注意：波特率只能允許是int型 對于57600足夠

//8位數據位

//1位停止位

//無奇偶校驗

serialPort.setSerialPortParams（baudrate， SerialPort.DATABITS_8，SerialPort.STOPBITS_1， SerialPort.PARITY_NONE）;

//串口配制完成 log

System.out.println（“串口參數設置已完成，波特率為”+baudrate+“，數據位8bits，停止位1位，無奇偶校驗”）;

}

//不是串口

else

{

System.out.println（“該com端口不是串口，請檢查設備！”）;

//將com端口設置為null 默認是null不需要操作

}

}

catch （NoSuchPortException e）

{

e.printStackTrace（）;

}

catch （PortInUseException e）

{

e.printStackTrace（）;

}

catch （UnsupportedCommOperationException e）

{

e.printStackTrace（）;

}

return serialPort;

}12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455

以上代碼就是返回一個對象，同時也返回了對象屬性，因為對象在java里面是屬于傳值引用。對以上需要說明的是：在實驗時需要連接串口才能讓計算機檢測到才能讓程序工作，這里使用的是RS485轉接線：

3）通過以上兩個步驟后基本對串口的設置也完成了，對于串口類型的確認例如：RS232/RS485/RS422等，可以作為進一步確認的條件。RS485可以在gnu.io中找到。

接下來就是上位機與下位機之間的雙向通信的功能實現了。該部分主要是利用java的輸入輸出流來實現。以下是主要代碼：

/*

* 串口數據發送以及數據傳輸作為一個類

* 該類做主要實現對數據包的傳輸至下單板機

*/

class DataTransimit

{

/*

* 上位機往單板機通過串口發送數據

* 串口對象 seriesPort

* 數據幀：dataPackage

* 發送的標志：數據未發送成功拋出一個異常

*/

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

{

//關閉輸出流

if（out！=null）

{

try

{

out.close（）;

out=null;

System.out.println（“數據已發送完畢！”）;

} catch （IOException e）

{

e.printStackTrace（）;

}

}

}

}

/*

* 上位機接收數據

* 串口對象seriesPort

* 接收數據buffer

* 返回一個byte數組

*/

public static byte［］ uartReceiveDatafromSingleChipMachine（SerialPort serialPort）

{

byte［］ receiveDataPackage=null;

InputStream in=null;

try

{

in=serialPort.getInputStream（）;

//獲取data buffer數據長度

int bufferLength=in.available（）;

while（bufferLength！=0）

{

receiveDataPackage=new byte［bufferLength］;

in.read（receiveDataPackage）;

bufferLength=in.available（）;

}

}

catch （IOException e）

{

e.printStackTrace（）;

}

return receiveDataPackage;

} 12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455565758596061626364656667686970

通過以上關于Uart兩個基本類實現對底層Uart的功能封裝，其中一個類主要負責Uart串口自檢和基本設置，另外一個類主要has數據傳輸的兩個方法。接下來以一個實例說一說通過RS485串口通信將系統當前時間發送至單板機系統。

step 4：實現實時系統時間的數據包傳輸至下位機

這一步可以分為以下兩個步驟：首先實現獲取系統時間，將時間進行封裝成幀；另外就是通過RS485串口將時間數據包發送至單板機系統進行解析。

1） 系統時間的獲取

根據java面對對象設計思想，這里將有關系統時間的方法歸為一類。

以下是獲取當前系統時間代碼：

public static String getCurrentDateTime（）

{

//單例模式

Calendar calendar=Calendar.getInstance（）;

int year = calendar.get（Calendar.YEAR）;//獲取年份

int month=calendar.get（Calendar.MONTH）;//獲取月份

int day=calendar.get（Calendar.DATE）;//獲取日期

int minute=calendar.get（Calendar.MINUTE）;//分

int hour=calendar.get（Calendar.HOUR）;//小時

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;

}1234567891011121314

java 提供了calender類，該類提供了一些與時間有關方法。至于Calendar.getInstance（）使用單例模式獲取一個Calendar實例對象，單例模式就是一個類在任何時候只允許有一個實例化對象。獲取系統時間除了使用Calendar還可以使用Date類，通過創建對象也可以實現系統當前時間的獲取。timeCheckSum作為時間數據的校驗和發送至單板機作為自定義協議的一部分。

由于發送的數據包通常是以字節（byte）為單位進行發送和傳輸的，因此需要將int型的時間轉換為byte使用byte［］進行存儲，作為一個數據包發送。

/*

* 將以上時間字符串進行隔開用byte［］保存

*/

public static byte［］ dateTimeBytesGet（String currenDateTime）

{

//對當前時間參數進行格式判斷

//對格式進行判斷

int rawDataSize=6;

byte［］ dateTimeBytes=new byte［rawDataSize+1］;

String［］ currentDateTimeSplit=currenDateTime.split（“ ”）;

if（currentDateTimeSplit.length==rawDataSize）

{

//時間數據格式正確

//eg 2016 12 23 22 18 26

//使用byte［］進行存儲時需要 -128~+127

//對于年份使用兩個byte存儲

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（“當前時間獲取出現異常數據”）;

System.exit（-1）;

dateTimeBytes=null;

}

return dateTimeBytes;

}123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536

以上數據可以使用7個byte對時間數據進行存儲，因為年份需要使用兩個字節來存儲，格式為高字節在前，低字節在后，之后依次存放。

將時間數據存放在byte［］數組以后接下來就是添加自己的協議部分了。該部分具有較大的隨意性，因為該協議可以根據不同的風格有不同的形式。為了簡單起見，只需要在時間數據byte［］之前添加head、CMD、時間數據長度length這三個字節進行補充，時間數據byte［］后面依次添加校驗和高低字節以及tail指令即可。以上基本實現了一個簡單的時間數據package。以下是本模塊的代碼：

/*

* 將數組封裝成幀

* 每一個數據幀由以下幾個部分組成

* 1）數據包頭部 head 0X2F

* 2）數據包命令 CMD 0X5A

* 3）數據個數 length of data 7

* 4）校驗和 H8/L8 byte of check sum（高字節在前 低字節在后）

* 5）數據結尾標志 tail OX30

* 6）可采用線程進行獲取當前時間

*/

public static byte［］ makeCurrentDateTimefromStringtoFramePackage（byte［］ dateTimeBytes）

{

//在時間byte［］前后添加一些package校驗信息

int dataLength=13;

byte［］ terimalTimePackage=new byte［dataLength］;

//裝填信息

//時間數據包之前的信息

terimalTimePackage［0］=0x2F;

terimalTimePackage［1］=0X5A;

terimalTimePackage［2］=7;

//計算校驗和

//轉化為無符號進行校驗

for（int dataIndex=0;dataIndex《dateTimeBytes.length;dataIndex++）

{

terimalTimePackage［dataIndex+3］=dateTimeBytes［dataIndex］;

}

//將校驗和分為高低字節

byte sumH8bits=（byte）（（timeCheckSum）》》8）;

byte sumL8bits=（byte）（（timeCheckSum）&0xff）;

terimalTimePackage［10］=sumH8bits;//高字節在前

terimalTimePackage［11］=sumL8bits;//低字節在后

//數據包結尾

terimalTimePackage［12］=0X30;

return terimalTimePackage;

}1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435

下面給出了將時間數據byte數組進行解析的debug代碼，一方面是確定上位機本部分模塊的程序可靠性，另外也可以直接移植到下位機對數據包的解析之中。在下位機解析過程中需要注意一點：因為在java中8大基本類型都是帶符號，年份時間和時間校驗和拆分為高低字節時，低字節是二進制無符號的，但是計算機卻是按照有符號數（補碼方式）進行讀取，例如在2016年轉換為二進制數為：11111100000，那么高字節為00000111，低字節為11100000。計算機讀取為：高字節為7，低字節為-32。其實由兩個byte真實還原的過程應為：7《《8+（低字節二進制數字）=7*256+224=2016，因此在debug解析時間數據包時需要將有符號數字轉換為無符號數字。

/*

* 對時間格式進行解析并還原原來的時間格式

* 對數據進行還原

* 僅限于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;

}

/*

* 將byte轉化為字符串

* 將有符號byte轉化為無符號數字

* 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;

}12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637

2）將最后的時間數據包通過RS485串口發送至下位機

結合前面的串口程序就可以使用串口發送程序了。在程序debug的前期可以在程序的關鍵位置輸出日志就是打印log的方法可以提高程序調試的效率。以下是主類的測試代碼：

//取出第一個COM端口進行測試

SerialPort serialPort=UARTParameterSetup.portParameterOpen（arraylist.get（0）， 57600）;

//退出程序 后續不需要監測 因為transimit一直需要保證連接狀態

//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）;123456789101112131415

以下是測試結果：

當沒有串口設備接入計算機時控制臺打印一條信息：

沒有找到可用的串口端口，請check設備！

12

當RS485設備接入計算機時，控制臺打印消息如下：

通過以上幾個步驟基本實現了上位機與下位機串口通信的功能，接下來還可以對程序進行改進：

1）添加界面，可以類比串口助手界面根據自身需要設計獨具風格的人機交互界面。

2） 在程序中添加線程，在以上程序中對于系統時間的獲取可以通過線程的方式進行獲取，這樣上位機就可以一直往下位機發送數據包，而不是僅僅發一次。

3）對于上位機數據接收，除了以上最基本的接收功能外，還可以使用JDBC與mysql等數據進行存儲，并繪畫數據曲線實現特性分析。

審核編輯：湯梓紅