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：
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\binC:\Program Files (x86)\Java\jdk1.8.0_25\jre\bin\
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：
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。
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。
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