--- 通过 ”**一、Boost库介绍安装\+串口通信基础实现**“ 的内容，可以完成串口通信基础的收发功能。 **但也发现一个明显问题：** **在第一部分的实现，做到了先发送一组数据给PC机，然后程序一直挂起，持续等待串口通信另一方发送信息，并将接收到的信息打印输出到终端中。** **也就是说串口通信的接收方一直处于堵塞程序运行的状态，一直在等待串口通信的另一方，向本机发送信息并将信息打印输出。程序只能执行接收功能，无法执行其他功能，而且一旦进入接收函数，也无法给另一方发送信息，显然不符合工程需要。** 为了解决这个问题，我们引入C\+\+多线程标准库 ``，将串口通信的接收方，单独放入一个线程，使接收方在程序一开始执行时，就开始执行接收功能（在程序执行周期内不间断，也可以防止信息获取遗漏），达到不干扰主线程功能运行的目的。 ”**二、上下位机串口通信协议**“ 的内容介绍了串口通信打包的流程使用通信协议好处： - **错误检测和校验：** 通信协议通常包括错误检测机制，如 CRC 校验、奇偶校验、求和校验等，可以确保数据在传输过程中未被篡改或损坏。 - **标准化数据格式：** 通过使用协议，数据格式是标准化的，发送方和接收方都能够按照协议解析数据，确保数据的解码和理解一致。 \.\.\. \.\.\. ## 串口通信源码1\_通过接口使用通信协议 [串口通信\.zip](https://cdn.sdutvinci.cn/site-assets/images/wiki/2024/07/18/%E4%B8%B2%E5%8F%A3%E9%80%9A%E4%BF%A1.zip) 本文件（Serialport\_IF\.h）是一个贯通串口通信功能实现和串口通信协议的接口，创建了SerialIF类，利用虚函数提前定义了串口通信发送函数的底层write\(\)函数，使通信协议在调用`”发送一个字节的函数“`时，不使用实例化对象，使用SerialIF类的虚对象。解决了由于串口通信头文件和通信协议头文件相互包含导致的问题。 ## 串口通信源码2\_多线程实现功能异步 [串口通信\-多线程\.zip](https://cdn.sdutvinci.cn/site-assets/images/wiki/2024/07/18/%E4%B8%B2%E5%8F%A3%E9%80%9A%E4%BF%A1-%E5%A4%9A%E7%BA%BF%E7%A8%8B.zip) 由于头文件循环包含的问题，以及接口维护问题，这部分直接将串口通信协议拆分，纳入SerialPort类实现中，具体代码如下： ## **【串口通信功能部分】** - serialport\.h ```C++ #ifndef SERIALPORT_H #define SERIALPORT_H #include #include #include #include #include #include using namespace std; using namespace boost::asio; class SerialPort { public: //-------------------------- 串口通信的发送 --------------------------------- SerialPort(); ~SerialPort(); bool init(string port_name, uint16_t baud_rate); void runService(); bool open(); void close(); void write(uint8_t& buf); void startAsyncRead(); void handleRead(const boost::system::error_code& ec, size_t byte_read); //------------------------ 串口通信的数据打包 ------------------------------- void SendByte(uint8_t date);// 发送一个字节数据自己写的函数 void Send(const uint8_t* data, uint8_t len); // 发送定长数据不需要改动 void Send_Cmd_Data(uint8_t cmd, const uint8_t* datas, uint8_t len); //------------------------ 串口通信的数据校验 ------------------------------- uint16_t CRC16_Check(const uint8_t* data, uint8_t len);// 16位循环冗余校验不需要改动 //------------------------ 串口通信的数据解包 ------------------------------- void Data_Analysis(uint8_t cmd, const uint8_t* datas, uint8_t len);// 数据帧解析自己写 void Receive(uint8_t bytedata);// 接收数据不需要改动 private: boost::system::error_code errorCode; boost::system::error_code ec; io_service io; static shared_ptr serialPort; string portName; uint32_t baudRate; static uint8_t receiveData[1024]; }; #endif // SERIALPORT_H ``` - serialport\.cpp ```C++ #include "serialport.h" //#include //测试使用 shared_ptr SerialPort::serialPort = nullptr; uint8_t SerialPort::receiveData[] = { 0 }; SerialPort::SerialPort() : portName("COM1"), baudRate(115200) { memset(receiveData, 0, sizeof(receiveData)); } SerialPort::~SerialPort() { if (serialPort != nullptr) serialPort->close(); serialPort = nullptr; } bool SerialPort::init(string port_name, uint16_t baud_rate) { portName = port_name; baudRate = baud_rate; return open(); } void SerialPort::runService() { startAsyncRead(); io.run(); } bool SerialPort::open() { try { if (serialPort == nullptr) serialPort = shared_ptr(new serial_port(io)); serialPort->open(portName, errorCode); //设置串口参数 serialPort->set_option(serial_port::baud_rate(baudRate)); serialPort->set_option(serial_port::flow_control()); serialPort->set_option(serial_port::parity()); serialPort->set_option(serial_port::stop_bits()); serialPort->set_option(serial_port::character_size(8)); return true; } catch (exception& err) { cout << "Exception Error: " << err.what() << endl; } return false; } void SerialPort::startAsyncRead() { memset(receiveData, 0, sizeof(receiveData)); serialPort->async_read_some(boost::asio::buffer(receiveData), boost::bind(&SerialPort::handleRead, this, boost::asio::placeholders::error, boost::asio::placeholders::bytes_transferred)); } void SerialPort::close() { serialPort->close(); } void SerialPort::write(uint8_t& buf) { boost::asio::write(*serialPort, boost::asio::buffer(&buf, 1), ec); //serialPort->write_some(boost::asio::buffer(&buf,1) ,ec);//这两个函数均可 } void SerialPort::handleRead(const boost::system::error_code& ec, size_t byte_read) { //cout.write(receiveData, byte_read); if (!ec) { //-----------------------------------------------测试使用------------------------------------------------------ /* std::cout << "Received " << byte_read << " bytes: "; for (size_t i = 0; i < byte_read; ++i) { std::cout << std::hex << std::setw(2) << std::setfill('0') << static_cast(receiveData[i]) << " "; } std::cout << std::endl;*/ //-------------------------------------------------------------------------------------------------------------- // 处理接收到的数据 for (size_t i = 0; i < byte_read; ++i) { Receive(receiveData[i]); } // 重新开始异步读取操作 startAsyncRead(); } else { // 处理错误 std::cerr << "Error in handleRead: " << ec.message() << std::endl; } } ``` - Task\_Data\_pack\.h ```C++ /* 需要发送变长的数据帧帧头：使用 0xA5,0x5A两个字节作为帧头帧长：根据数据帧实际长度确定帧长字节，这里只使用1个字节命令字节：利用命令字节指定数据字节的功能数据字节：数据字节长度可变，帧长字节为0 表示没有数据，帧长字节为255，表示有255字节数据校验字节：在MODBUS协议中常用CRC16循环冗余校验方式将校验字节前的所以字节加入计算，得到两字节CRC16校验码，本文采用此方式帧尾：这里使用0xFF作为帧尾。帧头数据长度命令数据 CRC16校验帧尾 A5 5A XX XX …XX …XX XX FF 2字节 1字节 1字节 n字节 … 2字节 1字节 */ //#include"Task_Date_pack.h" #include"serialport.h" //<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< 发送方解析 >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> // 发送一个字节数据自己写的函数 void SerialPort::SendByte(uint8_t date) { write(date); } // 发送定长数据不需要改动 void SerialPort::Send(const uint8_t* data, uint8_t len) { uint8_t i; for (i = 0; i < len; i++) { SendByte(data[i]); // 发送一个字节 } } // 16位循环冗余校验不需要改动 uint16_t SerialPort::CRC16_Check(const uint8_t* data, uint8_t len) { uint16_t CRC16 = 0xFFFF; uint8_t state, i, j; for (i = 0; i < len; i++) { CRC16 ^= data[i]; for (j = 0; j < 8; j++) { state = CRC16 & 0x01; CRC16 >>= 1; if (state) { CRC16 ^= 0xA001; } } } return CRC16; } // 发送数据包不需要改动 void SerialPort::Send_Cmd_Data(uint8_t cmd, const uint8_t* datas, uint8_t len) { uint8_t buf[300], i, cnt = 0; uint16_t crc16; buf[cnt++] = 0xA5; buf[cnt++] = 0x5A; buf[cnt++] = len; buf[cnt++] = cmd; for (i = 0; i < len; i++) { buf[cnt++] = datas[i]; } crc16 = CRC16_Check(buf, len + 4); buf[cnt++] = crc16 >> 8; buf[cnt++] = crc16 & 0xFF; buf[cnt++] = 0xFF; Send(buf, cnt); // 调用数据帧发送函数将打包好的数据帧发送出去 } //<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< 监听方解析 >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> // 数据帧解析自己写 void SerialPort::Data_Analysis(uint8_t cmd, const uint8_t* datas, uint8_t len) { switch (cmd) { case 0x00: // 解析命令1的数据 // 这里可以根据具体情况进行相应的操作 //------------------------------------------------测试代码--------------------------------------------------- for (uint8_t i = 0; i < len; i++) { cout << hex << static_cast(*datas) << " "; datas++; } cout << endl; //----------------------------------------------------------------------------------------------------------- break; case 0x01: // 解析命令2的数据 break; // 添加更多命令的解析逻辑... default: // 未知命令，进行错误处理或者忽略 std::cerr << "Unknown command: " << cmd << std::endl; break; } } // 接收数据不需要改动 void SerialPort::Receive(uint8_t bytedata) { static uint8_t step = 0; // 状态变量初始化为0 在函数中必须为静态变量 static uint8_t cnt = 0, Buf[300], len, cmd, * data_ptr; static uint16_t crc16; // 进行数据解析状态机 switch (step) { case 0: // 接收帧头1状态 if (bytedata == 0xA5) { step++; cnt = 0; Buf[cnt++] = bytedata; } break; case 1: // 接收帧头2状态 if (bytedata == 0x5A) { step++; Buf[cnt++] = bytedata; } else if (bytedata == 0xA5) { step = 1; } else { step = 0; } break; case 2: // 接收数据长度字节状态 step++; Buf[cnt++] = bytedata; len = bytedata; break; case 3: // 接收命令字节状态 step++; Buf[cnt++] = bytedata; cmd = bytedata; data_ptr = &Buf[cnt]; // 记录数据指针首地址 if (len == 0) step++; // 数据字节长度为0则跳过数据接收状态 break; case 4: // 接收len字节数据状态 Buf[cnt++] = bytedata; if (data_ptr + len == &Buf[cnt]) // 利用指针地址偏移判断是否接收完len位数据 { step++; } break; case 5: // 接收crc16校验高8位字节 step++; crc16 = bytedata; break; case 6: // 接收crc16校验低8位字节 crc16 <<= 8; crc16 += bytedata; if (crc16 == CRC16_Check(Buf, cnt)) // 校验正确进入下一状态 { step++; } else if (bytedata == 0xA5) { step = 1; } else { step = 0; } break; case 7: // 接收帧尾 if (bytedata == 0xFF) // 帧尾接收正确 { Data_Analysis(cmd, data_ptr, len); // 数据解析 step = 0; } else if (bytedata == 0xA5) { step = 1; } else { step = 0; } break; default: step = 0; break; // 多余状态正常情况下不可能出现 } } ``` 上述代码将通信协议部分函数全部变为SerialPort类内公有函数，成为该类的实现方法，故在每个SerialPort对象创建时，这些方法即为该对象的固有实现方法，不需要再使用对象调用 ”发送一个字节的函数“ 放入SendByte\(\)函数中。 ## 【多线程调用部分】 - thread\_main\.cpp ```C++ #include"serialport.h" #include #include using namespace std; void Serial_Receive(SerialPort& port) { port.runService(); } int main() { SerialPort port; uint8_t datas[] = { 0x11,0x15 }; port.init("COM1", 115200); std::thread serialport_receive(Serial_Receive, ref(port)); while (true) { port.Send_Cmd_Data(0, datas, 2); std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000)); // 延时 1000 毫秒 (1 秒) } serialport_receive.join(); return 0; } ``` ## 【测试】 [1721371540375\.mp4](https://cdn.sdutvinci.cn/site-assets/images/wiki/2024/07/18/1721371540375.mp4) - 在thread\_main\.cpp中，使用了两个线程，主线程和serialport\_receive线程。 --- 【多线程实现方式】 - 后者专门用于串口通信的监听方实现，保证串口通信监听方做到实时堵塞第二个线程，实时监听串口通信另一方向本机发来的信息，保证了信息监听不会出现遗漏，也保证了数据的完整性。 - 主线程中可以放入程序的主逻辑功能，其中串口通信的发送也在主线程中完成，主线程中程序可以在任意时间利用串口`SerialPort`对象调用`Send_Cmd_Data()`函数向串口通信另一方发送消息。值得注意的是，该函数的底层发送函数`wirte()`本身就是异步函数，他不会阻塞主线程，他的发送也不占用主线程时间，因此把串口通信的发送放在主线程中，并不会导致主线程程序运行变慢。 --- 【测试方式】 - 上述测试，为了模仿串口通信在实际工程应用过程中的情况，使用虚拟串口COM1 和 COM2相互连接，主程序thread\_main\.cpp主线程设置为每秒向另一方发送一条信息，并在程序运行中任意时间利用串口助手向程序方发送信息（任意时间包括程序方向串口助手方发送信息的时间段）。 - 上述过程完成了实际工程中要完成的情况，在实际的暴力测试中（串口助手and程序不加延时连续发送）均未出现问题，未发生数据丢失，不完整情况。【本人精神状态】 ![image\.png](https://cdn.sdutvinci.cn/site-assets/images/wiki/2024/07/18/001-4253933c87b5.webp)