rs232串口通信实验报告

计算机网络实验 实现RS232串口通信程序 及MODBUS协议的编程一实验目的：1.熟悉并掌握RS232串口标准及原理。2.实现PC机通过RS232串口进行数据的收发。3掌握MODBUS协议。4. 掌握MODBUS协议编程的编写二、实验设备 PC机一台，RS232串口通信线（9针）一条，跳线一个（一台PC实验时，将其中的2和3短接）三、实验内容界面内容：（1）打开串口与关闭串口按钮（2）信息发送区：信息编辑区，发送信息按钮（3）信息接受区：信息显示区，接收信息按钮四、实验原理rs-232-c ： RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会，RS（ecommeded standard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前，有RS232B、RS232A。它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。常用物理标准还有有EIARS-232-C、EIARS-422-A、EIARS-423A、EIARS-485。 这里只介绍EIARS-232-C（简称232，RS232）。 例如，目前在IBM PC机上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。RS232原理如图1-3。图1 RS232接口电缆和引脚外观图2 RS232 引脚定义（DB9）RS232接口硬件握手方式1 概述在现代的各种实时监控系统和通信系统中，在Windows 9X/NT下利用VC+对RS-232串口编程是常用的手段。Windows 9X/NT是抢先式的多任务操作系统，程序对CPU的占用时间由系统决定。多任务指的是系统可以同时运行多个进程，每个进程又可以同时执行多个线程。进程是应用程序的运行实例，拥有自己的地址空间。每个进程拥有一个主线程， 同时还可以建立其他的线程。线程是操作系统分配CPU时间的基本实体，每个线程占用的CPU时间由系统分配，系统不停的在线程之间切换。进程中的线程共享进程的虚拟地址空间，可以访问进程的资源，处于并行执行状态，这就是多线程的基本概念。2 VC+对多线程的支持使用MFC开发是较普遍的VC+编程方法。在VC+6.0下，MFC应用程序的线程由CWinThread对象表示。VC+把线程分为两种：用户界面线程和工作者线程。用户界面线程能够提供界面和用户交互，通常用于处理用户输入并相应各种事件和消息；而工作者线程主要用来处理程序的后台任务。程序一般不需要直接创建CWinThread对象，通过调用AfxBeginThread()函数就会自动创建一个CWinThread对象，从而开始一个进程。创建上述的两种线程都利用这个函数。线程的终止取决于下列事件之一：线程函数返回；线程调用ExitThread()退出；异常情况下用线程的句柄调用TerminateThread()退出；线程所属的进程被终止。3 多线程在串口通信中的应用3.1 串口通信对线程同步的要求因为同一进程的所有线程共享进程的虚拟地址空间，而在Windows 9X/NT系统下线程是汇编级中断，所以有可能多个线程同时访问同一个对象。这些对象可能是全局变量，MFC的对象，MFC的API等。串口通信的几个特点决定了必须采用措施来同步线程的执行。串口通信中，对于每个串口对象，只有一个缓冲区，发送和接收都要用到，必须建立起同步机制，使得在一个时候只能进行一种操作，否则通信就会出错。进行串口通信处理的不同线程之间需要协调运行。如果一个线程必须等待另一个线程结束才能运行，则应该挂起该线程以减少对CPU资源的占用，通过另一进程完成后发出的信号(线程间通信)来激活。VC+提供了同步对象来协调多线程的并行，常用的有以下几种：CSemaphore：信号灯对象，允许一定数目的线程访问某个共享资源，常用来控制访问共享资源的线程数量。Cmutex：互斥量对象，一个时刻至多只允许一个线程访问某资源，未被占用时处于有信号状态，可以实现对共享资源的互斥访问。CEvent：事件对象，用于使一个线程通知其他线程某一事件的发生，所以也可以用来封锁对某一资源的访问，直到线程释放资源使其成为有信号状态。适用于某一线程等待某事件发生才能执行的场合。CCriticalSection：临界区对象，将一段代码置入临界区，只允许最多一个线程进入执行这段代码。一个临界区仅在创建它的进程中有效。3.2 等待函数Win32 API提供了能使线程阻塞其自身执行的等待函数，等待其监视的对象产生一定的信号才停止阻塞，继续线程的执行。其意义是通过暂时挂起线程减少对CPU资源的占用。在某些大型监控系统中，串口通信只是其中事务处理的一部分，所以必须考虑程序执行效率问题，当串口初始化完毕后，就使其处于等待通信事件的状态，减少消耗的CPU时间，提高程序运行效率。常用的等待函数是WaitForSingleObject()和WaitForMultipleObjects()，前者可监测单个同步对象，后者可同时监测多个同步对象。3.3 串口通信的重叠I/O方式MFC对于串口作为文件设备处理，用CreateFile()打开串口，获得一个串口句柄。打开后SetCommState()进行端口配置，包括缓冲区设置，超时设置和数据格式等。成功后就可以调用函数ReadFile()和WriteFile()进行数据的读写，用WaitCommEvent()监视通信事件。CloseHandle()用于关闭串口。在ReadFile()和WriteFile()读写串口时，可以采取同步执行方式，也可以采取重叠I/O方式。同步执行时，函数直到执行完毕才返回，因而同步执行的其他线程会被阻塞，效率下降；而在重叠方式下，调用的读写函数会立即返回，I/O操作在后台进行，这样线程就可以处理其他事务。这样，线程可以在同一串口句柄上实现读写操作，实现重叠。使用重叠I/O方式时，线程要创建OVERLAPPED结构供读写函数使用，该结构最重要的成员是hEvent事件句柄。它将作为线程的同步对象使用，读写函数完成时hEvent处于有信号状态，表示可进行读写操作；读写函数未完成时，hEvent被置为无信号。五、编程实现代码实现：1、源码#include #include #include main()char ch;/*串口初始化*/outportb(0x3fb,0x80); /设置LCR，访问DLL、DLM，禁止串口中断，无校验，1位停止位；outportb(0x3f8,0x0C); /设置串口的波特率低八位(DLL)；outportb(0x3f9,0x00); /设置串口的波特率高八位(DLM)；outportb(0x3fb,0x03); /设置LCR，禁止访问DLL、DLM，禁止串口中断，无校验，1位停止位；outportb(0x3fc,0x03); /初始化MCR，数据终端准备好，请求发送；while(1) /保持监听状态 /*发送数据*/ if(bioskey(1) ch=bioskey(0)&0x0ff; /若有键盘输入，获取ASCII码 if(ch=27) /若输入字符为“ESC”，退出程序 exit(0);outportb(0x3f8,ch); /否则将字符送入发送端口 /*接收数据*/ch=inportb(0x3fd); /读取接收端口的线路状态寄存器LSR的状态if(ch&0x01) /若线路状态寄存器LSR的末尾为1，表示接收就绪 ch=inportb(0x3f8); /读取数据putch(ch); /显示数据 注：com1口的基地址为:03F8; com2口的基地址为:02F8。根据串口线的连接，选择通信的是com1口还是com2口2、程序专门建立了一个串口通信类，下面给出关键成员函数的核心代码。BOOL InitComm file:/串口初始化，这里只给出关键步骤的代码，下同HANDLE m_hComm;COMMTIMEOUTS m_CommTimeouts;m_hComm = CreateFile(COM1, file:/在这里只使用串口1GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, file:/打开类型为可读写0, file:/以独占模式打开串口NULL, file:/不设置安全属性OPEN_EXISTING,FILE_FLAG_OVERLAPPED, file:/重叠I/O方式0);if (m_hComm = INVALID_HANDLE_VALUE) file:/打开不成功return FALSE;m_CommTimeouts.ReadIntervalTimeout = 1000;file:/进行超时设置，读者应根据自己的实际需要设置m_CommTimeouts.ReadTotalTimeoutMultiplier = 500;m_CommTimeouts.ReadTotalTimeoutConstant = 5000;m_CommTimeouts.WriteTotalTimeoutMultiplier = 500;m_CommTimeouts.WriteTotalTimeoutConstant = 5000;if (!SetCommTimeouts(m_hComm, &m_CommTimeouts)CloseHandle(m_hComm);return FALSE;PurgeComm(m_hComm, PURGE_RXCLEAR | PURGE_TXCLEAR | PURGE_RXABORT | PURGE_TXABORT); file:/清缓冲return TRUE;以上是专门针对COM1的初始化，如果要利用同一函数对不同串口初始化，则要在初始化前先进入代码临界区，以保证在某一时刻只进行一个串口的初始化。在串口初始化成功后，就可以建立监控线程处理串口通信事件。下面是该线程的关键代码。UINT CommThread(LPVOID pParam) file:/用于监控串口的工作者线程BOOL bResult = FALSE;if (m_hComm) file:/查看端口是否打开，这里m_hComm同上，作者在这里做了简化PurgeComm(m_hComm, PURGE_RXCLEAR | PURGE_TXCLEAR | PURGE_RXABORT | PURGE_TXABORT);for (;) file:/只要线程运行，就处于监视端口行为的无限循环bResult = WaitCommEvent(m_hComm, &Event, &m_ov);file:/m_ov是OVERLAPPED类型的成员变量if (!bResult) file:/进行出错处理elseEvent = WaitForMultipleObjects(4, m_hEvent, FALSE, INFINITE);file:/无限等待设定的事件发生，数组m_hEvent根据需要定义了须响应的接收，发送，关闭端口事件和OVERLAPPED类型的hEvent事件switch (Event) file:/读写事件的响应处理过程，在此略return 0;这样监控主程序就可以使用AfxBeginThread()函数来产生CommThread串口监控线程。如果要实现对所有端口的同时监控，可以分别对端口建立监控线程。实验过程：1. 因为笔记本电脑上没有专门的串口供实验要求，所以先安装虚拟串口创建程序。后创建两个虚拟串口。2. 实验要求实现串口的通信，因此添加MFC平台上的MSComm控件，通过此控件来实现通信。3. 添加MSComm控件的对象，设计界面，通过用户的设定来初始化控件的各个属性。添加消息处理函数，编写串口发送等函数。4. 打开串口，实现通信。通信结束后关闭串口。上图为实现串口通信的图，但通信时不能使用汉字。调试主界面如下图：首先打开串口，在发送区输入信息,然后点击发送信息，如下图： 点击接收信息如下图： 六、MODBUS协议实验原理Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。Modbus 协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在一Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。1、 在Modbus网络上转输 标准的Modbus口是使用一RS-232C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。 控制器通信使用主从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。 主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域。 从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。 2、 在其它类型网络上转输 在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。 在消息位，Modbus协议仍提供了主从原则，尽管网络通信方法是“对等”。如果一控制器发送一消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。同样，当控制器接收到一消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器。 3、查询回应周期 （1）查询 查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码03是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。 （2）回应 如果从设备产生一正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据：象寄存器值或状态。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。 ModBus的传输方式 在ModBus系统中有2种传输模式可选择。这2种传输模式与从机PC通信的能力是同等的。选择时应视所用ModBus主机而定，每个ModBus系统只能使用一种模式，不允许2种模式混用。一种模式是ASCII（美国信息交换码），另一种模式是RTU（远程终端设备）这两种模式的定义见表3 表3 ASCII和RTU传输模式的特性 ASCII可打印字符便于故障检测，而且对于用高级语言（如Fortan）编程的主计算机及主PC很适宜。RTU则适用于机器语言编程的计算机和PC主机。用RTU模式传输的数据是8位二进制字符。如欲转换为ASCII模式，则每个RTU字符首先应分为高位和低位两部分，这两部分各含4位，然后转换成十六进制等量值。用以构成报文的ASCII字符都是十六进制字符。ASCII模式使用的字符虽是RTU模式的两倍，但ASCII数据的译玛和处理更为容易一些，此外，用RTU模式时报文字符必须以连续数据流的形式传送，用ASCII模式，字符之间可产生长达1s的间隔，以适应速度较快的机器。表4给出了以RTU方式读取整数据的例子 以RTU方式读取整数据的例子 （2）ModBus的数据校验方式 CRC-16（循环冗余错误校验） CRC-16错误校验程序如下：报文（此处只涉及数据位，不指起始位、停止位和任选的奇偶校验位）被看作是一个连续的二进制，其最高有效位（MSB）首选发送。报文先与X16相乘（左移16位），然后看X16+X15+X2+1除，X16+X15+X2+1可以表示为二进制数。整数商位忽略不记，16位余数加入该报文（MSB先发送），成为2个CRC 校验字节。余数中的1全部初始化，以免所有的零成为一条报文被接收。经上述处理而含有CRC字节的报文，若无错误，到接收设备后再被同一多项式（X16+X15+X2+1）除，会得到一个零余数（接收设备核验这个CRC字节，并将其与被传送的CRC比较）。全部运算以2为模（无进位）。习惯于成串发送数据的设备会首选送出字符的最右位（LSB-最低有效位）。而在生成CRC情况下，发送首位应是被除数的最高有效位MSB。由于在运算中不用进位，为便于操作起见，计算CRC时设MSB在最右位。生成多项式的位序也必须反过来，以保持一致。多项式的MSB略去不记