代码收藏家技术教程 2024-10-07

基于Win32 API的Windows串口编程与单片机串口设备通信实战指南

一、前言

串行通信接口，通常简称为“串口”，是一种数据传输方式，其中信息以连续的比特流形式发送，每个比特在不同的时间点被传输。这与并行通信形成对比，在并行通信中，多个比特同时通过多个线路传输。串口通信因其简单的硬件需求和广泛的应用场景而受到青睐，尤其是在远程通信、设备控制、数据采集等领域。

串口通信在现代技术中的应用场景极为广泛，从个人电脑连接外设（如鼠标、键盘）到工业自动化系统中的传感器网络，从移动设备的数据同步到实验室设备的控制，都能见到其身影。在嵌入式系统开发中，单片机与PC机或其他设备之间的通信经常采用串口，因为其易于实现且成本低廉。

在Windows环境下使用C语言进行串口编程，主要涉及到对Windows API函数的调用。Windows提供了丰富的API用于串口通信，包括CreateFile、SetupComm、PurgeComm、SetCommState、SetCommTimeouts、ReadFile、WriteFile等，这些函数分别用于打开串口、设置串口参数、读写串口数据以及控制串口的输入输出缓冲区等。

下面示例，展示如何使用C语言和Windows API打开指定的串口并进行通信：

#include <windows.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    HANDLE hComm;
    DCB dcbSerialParams = {0};
    COMMTIMEOUTS timeouts;

    // 打开串口
    hComm = CreateFile("COM3", GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, 0, NULL, OPEN_EXISTING, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, NULL);
    if (hComm == INVALID_HANDLE_VALUE) {
        printf("无法打开串口。\n");
        return -1;
    }

    // 设置串口参数
    dcbSerialParams.DCBlength = sizeof(dcbSerialParams);
    GetCommState(hComm, &dcbSerialParams);
    dcbSerialParams.BaudRate = CBR_9600;       // 设置波特率
    dcbSerialParams.ByteSize = 8;             // 设置字节大小
    dcbSerialParams.StopBits = ONESTOPBIT;    // 设置停止位
    dcbSerialParams.Parity   = NOPARITY;      // 设置校验位
    SetCommState(hComm, &dcbSerialParams);

    // 设置超时时间
    timeouts.ReadIntervalTimeout         = MAXDWORD;
    timeouts.ReadTotalTimeoutMultiplier  = 0;
    timeouts.ReadTotalTimeoutConstant    = 500;
    timeouts.WriteTotalTimeoutMultiplier = 0;
    timeouts.WriteTotalTimeoutConstant   = 500;
    SetCommTimeouts(hComm, &timeouts);

    // 发送数据
    char data[] = "Hello from PC!";
    DWORD dwWritten;
    WriteFile(hComm, data, strlen(data), &dwWritten, NULL);

    // 接收数据
    char buffer[256];
    DWORD dwRead;
    ReadFile(hComm, buffer, sizeof(buffer), &dwRead, NULL);
    buffer[dwRead] = '\0'; // 确保字符串以空字符结尾
    printf("Received: %s\n", buffer);

    // 关闭串口
    CloseHandle(hComm);
    return 0;
}

这段代码展示了如何打开一个串口（例如COM3），设置其通信参数，然后向串口发送数据，并从串口接收数据。通过这样的程序设计，可以实现PC机与单片机或其他串口设备之间的双向通信，为数据交换、设备控制等应用提供基础。

串口通信是连接不同设备之间的一种基本而强大的手段，尤其在嵌入式系统领域。掌握Windows环境下的串口编程，对于从事相关领域的开发者来说至关重要。

二、实操代码

2.1 串口编程的函数详解

在Windows环境下进行串口编程时，主要依赖于Windows API中的一系列函数。这些函数允许你控制串口的打开、配置、读写操作以及错误处理。下面是几个关键函数的详细说明，包括它们的功能、参数含义和用法：

1. `CreateFile`

功能：打开或创建一个指定的设备或文件。

语法：

HANDLE CreateFile(
  LPCWSTR lpFileName,       // 指定文件名或设备名
  DWORD dwDesiredAccess,    // 请求的访问类型
  DWORD dwShareMode,        // 共享模式
  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes, // 安全属性
  DWORD dwCreationDisposition, // 创建或打开的处置
  DWORD dwFlagsAndAttributes, // 文件属性
  HANDLE hTemplateFile      // 模板文件句柄
);

用法：

通常用于打开串口设备，如CreateFile(TEXT("COM1"), GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, 0, NULL, OPEN_EXISTING, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, NULL);

2. `CloseHandle`

功能：关闭一个已打开的设备或文件句柄。

语法：

BOOL CloseHandle(
  HANDLE hObject // 要关闭的句柄
);

用法：

在完成串口操作后调用以释放资源，如CloseHandle(hComm);

3. `GetCommState`

功能：获取串口当前的通信状态。

语法：

BOOL GetCommState(
  HANDLE hFile,     // 串口句柄
  LPDCB lpDCB       // 指向DCB结构体的指针
);

用法：

用于获取串口的当前配置，如波特率、数据位数等。

4. `SetCommState`

功能：设置串口的通信状态。

语法：

BOOL SetCommState(
  HANDLE hFile,     // 串口句柄
  LPDCB lpDCB       // 指向DCB结构体的指针
);

用法：

用于设置串口的配置参数，如波特率、数据位、停止位和奇偶校验。

5. `PurgeComm`

功能：清除串口的输入输出缓冲区。

语法：

BOOL PurgeComm(
  HANDLE hFile,     // 串口句柄
  DWORD dwMask      // 指定要清除的缓冲区
);

用法：

用于清除串口的输入或输出缓冲区，避免数据残留。

6. `ReadFile`

功能：从串口读取数据。

语法：

BOOL ReadFile(
  HANDLE hFile,         // 串口句柄
  LPVOID lpBuffer,      // 数据缓冲区
  DWORD nNumberOfBytesToRead, // 要读取的字节数
  LPDWORD lpNumberOfBytesRead, // 实际读取的字节数
  LPOVERLAPPED lpOverlapped    // 异步读取时的重叠结构
);

用法：

用于从串口读取数据到缓冲区中。

7. `WriteFile`

功能：向串口写入数据。

语法：

BOOL WriteFile(
  HANDLE hFile,         // 串口句柄
  LPCVOID lpBuffer,     // 数据缓冲区
  DWORD nNumberOfBytesToWrite, // 要写入的字节数
  LPDWORD lpNumberOfBytesWritten, // 实际写入的字节数
  LPOVERLAPPED lpOverlapped      // 异步写入时的重叠结构
);

用法：

用于向串口发送数据。

8. `SetCommTimeouts`

功能：设置串口的超时值。

语法：

BOOL SetCommTimeouts(
  HANDLE hFile,     // 串口句柄
  LPCOMMTIMEOUTS lpCommTimeouts // 指向COMMTIMEOUTS结构体的指针
);

用法：

用于设置读写操作的超时时间，防止无限期等待。

9. `GetLastError`

功能：获取上一次调用失败的错误代码。

语法：

DWORD GetLastError(void);

用法：

当API函数调用失败时，可以调用此函数获取具体的错误代码，帮助诊断问题。

以上函数是进行串口编程时最常用的，它们共同提供了串口设备的完整控制能力。在实际编程中，你需要根据具体的应用需求选择合适的函数组合，以实现串口的高效稳定通信。

2.2 扫描当前系统可用串口端口

在Windows环境下，使用C语言来枚举所有可用的串口，可以通过调用Windows API函数来实现。

以下代码，会打印出系统上所有可用的串口名称：

#include <windows.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

// 定义一个结构体存储串口信息
typedef struct _SERIAL_INFO {
    DWORD dwSize;
    HANDLE hFile;
    DWORD dwDeviceType;
    DWORD dwReserved;
    DWORD dwProviderSubType;
    DWORD dwServiceCharacteristics;
    DWORD dwVendorGuidData;
    DWORD dwDriverVersion;
    DWORD dwDriverDate;
    DWORD dwHardwareIndex;
    DWORD dwConfigFlags;
    DWORD dwNumParameters;
    DWORD dwNumProperties;
} SERIAL_INFO;

// 定义一个结构体存储串口属性
typedef struct _SERIAL_PROPERTY_KEY {
    DWORD dwPropertyKey;
    DWORD dwPropertyType;
    DWORD dwReserved;
} SERIAL_PROPERTY_KEY;

int main() {
    DWORD dwSize = 0;
    DWORD dwRetVal = 0;
    HANDLE hComm = NULL;
    SERIAL_INFO SerialInfo;
    SERIAL_PROPERTY_KEY SerialPropKey;
    TCHAR szPortName[MAX_PATH];
    DWORD dwBufferSize = 0;
    DWORD dwBytesReturned = 0;
    DWORD dwError = 0;

    // 获取所需的SERIAL_INFO结构体大小
    dwRetVal = QueryDosDevice(NULL, NULL, 0);
    if (dwRetVal == 0) {
        dwSize = GetLastError();
        SerialInfo.dwSize = dwSize;
    } else {
        printf("QueryDosDevice failed with error: %ld\n", GetLastError());
        return -1;
    }

    // 枚举所有的串口
    for (int i = 1; i <= 256; i++) {
        wsprintf(szPortName, TEXT("COM%d"), i);
        dwRetVal = QueryDosDevice(szPortName, NULL, 0);
        if (dwRetVal != 0) {
            continue; // 如果返回非零，则跳过，表示端口不存在或不可用
        }
        dwError = GetLastError();
        if (dwError != ERROR_INSUFFICIENT_BUFFER) {
            continue; // 如果错误不是缓冲区不足，则跳过
        }

        // 如果是缓冲区不足，则获取正确的缓冲区大小
        dwBufferSize = dwError;
        if (dwBufferSize > 0) {
            SerialInfo.dwSize = dwBufferSize;
            dwRetVal = QueryDosDevice(szPortName, (LPTSTR)&SerialInfo, dwBufferSize);
            if (dwRetVal != 0) {
                // 成功获取串口信息，尝试打开串口
                hComm = CreateFile(szPortName,
                                   GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,
                                   0, NULL,
                                   OPEN_EXISTING,
                                   FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,
                                   NULL);
                if (hComm != INVALID_HANDLE_VALUE) {
                    // 打印可用的串口号
                    wprintf(L"Found COM port: %s\n", szPortName);
                    // 清理资源
                    CloseHandle(hComm);
                }
            }
        }
    }

    return 0;
}

这个代码片段会遍历从COM1到COM256的所有可能的串口号，尝试打开每一个串口，如果成功打开，则表明该串口是可用的，并将串口号打印出来。

2.3 创建串口程序与单片机进行数据互发通信

下面是一个使用C语言在Windows环境下进行串口编程的例子，演示了如何与单片机进行数据互发通信。

创建一个程序，打开串口，设置波特率为115200，然后接收从单片机发送来的数据，将其打印出来，并将同样的数据返回给单片机。

#include <windows.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    HANDLE hComm;
    DCB dcbSerialParams = {0};
    COMMTIMEOUTS timeouts;

    // 打开串口
    hComm = CreateFile("COM3", GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, 0, NULL, OPEN_EXISTING, 0, NULL);
    if (hComm == INVALID_HANDLE_VALUE) {
        printf("无法打开串口。\n");
        return -1;
    }

    // 设置串口参数
    dcbSerialParams.DCBlength = sizeof(dcbSerialParams);
    if (!GetCommState(hComm, &dcbSerialParams)) {
        printf("无法获取串口状态。\n");
        CloseHandle(hComm);
        return -1;
    }

    dcbSerialParams.BaudRate = CBR_115200;       // 设置波特率为115200
    dcbSerialParams.ByteSize = 8;               // 设置数据位为8位
    dcbSerialParams.StopBits = ONESTOPBIT;      // 设置停止位为1位
    dcbSerialParams.Parity = NOPARITY;          // 设置无校验位

    if (!SetCommState(hComm, &dcbSerialParams)) {
        printf("无法设置串口参数。\n");
        CloseHandle(hComm);
        return -1;
    }

    // 设置超时时间
    timeouts.ReadIntervalTimeout = MAXDWORD;
    timeouts.ReadTotalTimeoutMultiplier = 0;
    timeouts.ReadTotalTimeoutConstant = 500;
    timeouts.WriteTotalTimeoutMultiplier = 0;
    timeouts.WriteTotalTimeoutConstant = 500;
    if (!SetCommTimeouts(hComm, &timeouts)) {
        printf("无法设置串口超时时间。\n");
        CloseHandle(hComm);
        return -1;
    }

    // 循环读取和回显数据
    char buffer[256];
    DWORD dwRead, dwWritten;

    while (1) {
        memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
        if (!ReadFile(hComm, buffer, sizeof(buffer)-1, &dwRead, NULL)) {
            printf("读取数据失败。\n");
            break;
        }

        if (dwRead > 0) {
            printf("接收到: %s\n", buffer);
            if (!WriteFile(hComm, buffer, dwRead, &dwWritten, NULL)) {
                printf("写入数据失败。\n");
                break;
            }
        }
    }

    // 清理资源
    CloseHandle(hComm);
    return 0;
}

在这个例子中，使用CreateFile函数打开串口，然后通过GetCommState和SetCommState函数设置串口的波特率、数据位、停止位和校验位。接着，使用SetCommTimeouts函数设置读写操作的超时时间，以防在没有数据的情况下无限等待。

接下来，进入一个无限循环，使用ReadFile函数从串口读取数据。如果读取成功，将接收到的数据打印出来，并使用WriteFile函数将同样的数据返回到串口，实现回显功能。

作者：DS小龙哥