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1、工控程序设计,学习情景2.2 串口设备数据的接收和处理,学习情景2.2 串口设备数据的接收和处理,2.2.1 学习要点 1.知识点：SerialPort类实例的构造，接收串口数据的方法，接收超时异常处理，HSDZC电能综合测试仪的数据格式，数据帧片段的缓存方法 2.技能点：应用程序项目和SerialPort对象的创建，串口数据接收，接收数据的缓存和数据帧的提取 2.2.2 任务描述 某些串口设备能够定时、主动地向上位机发送数据，处于上位机端的工业控制程序，需要获取串口收到的数据并进行分析和处理。利用.NET Framework 2.0及更高版本提供的SerialPort类可以比较方便地在C#应
2、用程序中实现串口通信功能。从编程的角度看，串口数据的接收就是利用SerialPort对象的Read或ReadByte方法将操作系统存放在串口输入缓冲区中的数据读入到一个字节数组中。 该教学情景通过串口数据接收、接收数据的缓存、数据帧的提取、浮点数解码这几个实施步骤，达到使用SerialPort对象接收单个串口设备（下位机）数据的目的。,学习情景2.2 串口设备数据的接收和处理,2.2.3 相关知识 1 SerialPort类实例的构造 SerialPort类是从.NET Framework 2.0版本开始提供的一个串口控制类，该类包含在System.IO.Ports命名空间中，使用该类的实例可
3、以打开串口，并发送数据。 通过构造函数可以产生SerialPort类的实例，SerialPort类的构造函数在定义时进行了重载，表2.2.1中列出了这些重载构造函数的接口定义：,表2.2.1 SerialPort类的构造函数定义,表2.2.1 SerialPort类的构造函数定义,学习情景2.2 串口设备数据的接收和处理,学习情景2.2 串口设备数据的接收和处理,除了在构造SerialPort类实例的时候可以对端口名称、波特率、奇偶校验位、数据位和停止位进行设置外，构造好SerialPort类实例后，还可以通过PortName、BaudRate、Parity、DataBits、StopBits
4、属性对这些参数进行修改，因此构造SerialPort类实例的程序书写形式比较灵活。 2 串口的打开和关闭 SerialPort类中与串口打开和关闭相关的成员如下： (1)Open方法 Open方法打开新的串口连接，该方法不带参数，接口定义如下： public void Open() (2)Close方法 Close方法关闭已经打开的串口连接，该方法不带参数，接口定义如下： public void Close(),学习情景2.2 串口设备数据的接收和处理,(3)IsOpen属性 通过IsOpen属性可以获知串口当前是否为打开状态，返回一个bool类型的值，该属性只读，接口定义如下： public
5、 bool IsOpen get; 串口不能重复进行打开和关闭操作，在打开或关闭串口前，都要使用该属性检查串口是否已经处于打开或已经处于关闭状态，以免引发异常。 3 接收串口数据的方法 (1)ReadByte方法 SerialPort类的ReadByte方法可以从串口接收缓冲区中读取一个字节，该方 法的接口定义是： public int ReadByte(); 该方法从串口接收缓冲区中读取一个字节，要和ReadTimeout属性配合使用。当调用ReadByte方法时，如果接收缓冲区中没有数据，则程序被阻塞，直到缓冲区中有数据或到达ReadTimeout属性指定读取数据超时的毫秒数，程序才能继续
6、运行。,学习情景2.2 串口设备数据的接收和处理,ReadByte方法返回一个int类型的值，在实际应用时，要将返回值强制转换为byte类型。 (2)Read方法 Read方法从串口接收缓冲区中读取多个字节，该方法的接口定义是： public int Read(byte buffer, int offset, int count); 该方法试图从接收缓冲区中读取count个字节，并写入字节数组buffer中，写入的起始位置是offset，执行后返回实际读取的字节数。例如，现在接收缓冲区中只有6个字节，但count参数值为10，则返回值为6。 在实际应用时，通常先通过SerialPort对象的B
7、ytesToRead属性获得接收缓冲区中已有的字节数，并根据该属性值来设置count参数。 和ReadByte方法不同的是，调用Read方法时，不管接收缓冲区中有无数据，都不会对应用程序的当前线程造成阻塞。,学习情景2.2 串口设备数据的接收和处理,4 接收超时异常处理 当使用ReadByte方法从接收缓冲区中读取一个字节时，如果下位机发送过来的数据没有在ReadTimeout规定的时间内到达，则会引发TimeoutException，应用程序可以捕获该异常，并作相应处理。下面的测试程序说明了超时异常处理的方法： SerialPort sp; private void btnStart_Cli
8、ck (object sender, EventArgs e) byte firstByte; sp.ReadExisting(); /清空接收缓冲区，准备接收数据 sp.ReadTimeout = 10000; /10秒内没有收到回复数据，将捕获到异常 try firstByte = (byte)sp.ReadByte(); /同步读取（程序在此被阻塞） t1.Text = firstByte.ToString(X2); /显示在文本框t1中 catch (TimeoutException ex) /捕获到接收超时异常 t1.Text = ex.Message; /在t1中显示异常信息 ,学
9、习情景2.2 串口设备数据的接收和处理,图2.2.1 接收超时异常测试 如上图所示，在点击“开始”按钮后，程序被阻塞，此时窗口对鼠标和键盘的输入都不响应。为了有足够操作时间，SerialPort对象sp的ReadTimeout属性为10000毫秒（10秒）。在10秒时间内，测试者可以通过串口测试程序发送一个或多个字节过来，此时程序结束阻塞状态继续运行，并在文本框中显示接收到的第1个字节；如果10秒内没有数据到达，则引发TimeoutException。 若上位机程序要一直等待，可以把ReadTimeout属性的值设置为-1，但在实际应用中一般不这样做。,学习情景2.2 串口设备数据的接收和处理
10、,5 HSDZC电能综合测试仪的数据格式 HSDZC电能综合测试仪在钻机性能测试系统中用于输入功率、输出功率以及功率因素（参见引言介绍）。该设备提供两种电脑测量方式，在仪表提示“测量方式”时，可以分别按“显示1”和“显示2”进入。 在测量方式1的情况下测试仪每秒通过RS-232接口发送1组数据，长度46字节。信号格式：开始4字节均为FFH，后续每三个字节构成一个浮点数值，分别表示I1、U1、I2、U2、I3、U3，以及功率因数、视在功率、效率、输入功率、无功功率、负载率、输出功率、转速，共14个数据。 在测量方式2的情况下测试仪也是每秒通过RS-232接口发送1组数据，长度30字节。信号格式：
11、开始3字节均为12H、34H、56H，后续每三个字节构成一个浮点数值，分别表示I1、U1、P1、I2、U2、P2、I3、U3、P3，共9个数据。 上位机在和HSDZC电能综合测试仪进行通信时，不需要向设备写入数据，而是被动地读取设备发送过来的数据。下面的相关知识将进一步介绍对已接收到数据的存储和处理方法。,学习情景2.2 串口设备数据的接收和处理,构成浮点数值的3个字节含义是：第1字节(B1)为尾数低位，第2字节(B2)为尾数高位，第3字节(B3)为阶码指数。其中阶码指数各位的含义如表2.2.2所示： 表2.2.2 阶码指数字节中各位的含义,学习情景2.2 串口设备数据的接收和处理,尾数B的值
12、在0到1之间，计算公式是： 下面的HexToFloat函数描述了将3个字节转换为浮点数的算法： private float HexToFloat(byte B1, byte B2, byte B3) float f, B, n; /B:尾数 n:阶码指数 B = (B2 * 256 + B1) / 65536F; if (B3 ,学习情景2.2 串口设备数据的接收和处理,6 数据帧片段的缓存方法 (1)使用集合类存储接收数据 在通信过程中，数据帧表示由多个字节构成的，具有一定格式，表示完整语意的一组数据。例如，在和HSDZC电能综合测试仪进行通信时，如果测试仪工作在测量方式1，则一帧数据的长度
13、为46个字节（包含起始标志和14个数值）。 在系统实际运行中，下位机向上位机发送数据时，可能会将数据帧分为几个片段依次发送，或者在一次接收到的数据中包含了不止一帧数据。上位机必须提供一个字节的集合来对接收到的数据进行缓存（暂存），在确认接收完毕一帧数据后，再进行进一步的分析和处理。 .NET Framework 2.0以上版本提供了List类来实现集合元素管理。List类支持泛型，在存取byte类型的集合元素时无需进行“装箱”和“拆箱”操作，比使用ArrayList效率高。,学习情景2.2 串口设备数据的接收和处理,List类提供了丰富的方法来对集合中的元素进行操作，表2.2.3列出了List
14、类的常用方法，表中的示例建立在如下定义的基础上： byte b; byte ba; List li = new List(); /创建List类的实例li，元素类型为byte 表2.2.3 List类的常用方法,学习情景2.2 串口设备数据的接收和处理,学习情景2.2 串口设备数据的接收和处理,学习情景2.2 串口设备数据的接收和处理,(2)集合大小的设置 为了保证集合中任何时候能容纳一个完整的数据帧，集合中能容纳的字节数量应为数据帧长度的两倍。集合中的数据采取队列形式进行处理，新来的数据从队尾进，如果原有数据字节数加上新接收字节数超过集合的最大容量，则将队首的部份数据删除。图2.2.2展示数
15、据入队和出队的过程： L-队列总容量 N-原有字节数 M-新接收字节数 （1）队列剩余空间能容纳新接收数据 L-队列总容量 N-原有字节数 M-新接收字节数 （2）队列剩余空间能容纳新接收数据 图2.2.2 新接收数据的缓存,学习情景2.2 串口设备数据的接收和处理,2.2.4 任务实施 1应用程序项目的创建 串口通信应用程序的开发在Visual Studio集成开发环境中进行，首先创建一个基于C#语言的“Windows应用程序”项目，名为“ReceiveData”，并存放在工作目录“F:SerialPort”下，如图2.2.3所示：,学习情景2.2 串口设备数据的接收和处理,2 Serial
16、Port对象的创建 创建SerialPort对象可以通过添加控件和编写代码两种方式，添加控件的方式相对简单，适合初学者练习；编写代码的方式具有较强的灵活性，可以把SerialPort对象对串口的操作细节隐藏起来，与数据编码、解码等功能一起封装为一个功能完整的串口通信模块。 (1)通过添加控件创建SerialPort对象 在“工具箱”中展开“组件”选项卡，选择“SerialPort”组件（如图 2.2.4），用鼠标拖动到设计视图中的窗口上。由于SerialPort是不可见组件，所以不直接出现在窗体上，而是出现在窗口下方，如图2.2.5所示。 该操作的实质是在窗体设计器的源代码（文件名Form1.Designer.cs）中添加了如下代码： private System.IO.Ports.SerialPort serialPort1; this.
