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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包解壓后會出現一下內容：
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復制在安轉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的高低字節以及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！
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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。
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