Windows下串口编程与单片机串口装备通信(win32-API)

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情势发送，每个比特在差异的时间点被传输。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、装备控制、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，从个人电脑毗连外设（如鼠标、键盘）到工业自动化系统中的传感器网络，从移动装备的数据同步到实验室装备的控制，都能见到其身影。在嵌入式系统开发中，单片机与PC机或其他装备之间的通信经常采用串口，由于其易于实现且成本低廉。
在Windows环境下使用C语言举行串口编程，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打开指定的串口并举行通信：

1. #include <windows.h>
2. #include <stdio.h>
4. int main() {
5.     HANDLE hComm;
6.     DCB dcbSerialParams = {0};
7.     COMMTIMEOUTS timeouts;
9.     // 打开串口
10.     hComm = CreateFile("COM3", GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, 0, NULL, OPEN_EXISTING, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, NULL);
11.     if (hComm == INVALID_HANDLE_VALUE) {
12.         printf("无法打开串口。\n");
13.         return -1;
14.     }
16.     // 设置串口参数
17.     dcbSerialParams.DCBlength = sizeof(dcbSerialParams);
18.     GetCommState(hComm, &dcbSerialParams);
19.     dcbSerialParams.BaudRate = CBR_9600;       // 设置波特率
20.     dcbSerialParams.ByteSize = 8;             // 设置字节大小
21.     dcbSerialParams.StopBits = ONESTOPBIT;    // 设置停止位
22.     dcbSerialParams.Parity   = NOPARITY;      // 设置校验位
23.     SetCommState(hComm, &dcbSerialParams);
25.     // 设置超时时间
26.     timeouts.ReadIntervalTimeout         = MAXDWORD;
27.     timeouts.ReadTotalTimeoutMultiplier  = 0;
28.     timeouts.ReadTotalTimeoutConstant    = 500;
29.     timeouts.WriteTotalTimeoutMultiplier = 0;
30.     timeouts.WriteTotalTimeoutConstant   = 500;
31.     SetCommTimeouts(hComm, &timeouts);
33.     // 发送数据
34.     char data[] = "Hello from PC!";
35.     DWORD dwWritten;
36.     WriteFile(hComm, data, strlen(data), &dwWritten, NULL);
38.     // 接收数据
39.     char buffer[256];
40.     DWORD dwRead;
41.     ReadFile(hComm, buffer, sizeof(buffer), &dwRead, NULL);
42.     buffer[dwRead] = '\0'; // 确保字符串以空字符结尾
43.     printf("Received: %s\n", buffer);
45.     // 关闭串口
46.     CloseHandle(hComm);
47.     return 0;
48. }

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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。通过这样的程序计划，可以实现PC机与单片机或其他串口装备之间的双向通信，为数据交换、装备控制等应用提供根本。
串口通信是毗连差异装备之间的一种根本而强大的手段，尤其在嵌入式系统领域。把握Windows环境下的串口编程，对于从事相干领域的开发者来说至关紧张。
二、实操代码

2.1 串口编程的函数详解

在Windows环境下举行串口编程时，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惩罚。下面是几个关键函数的具体说明，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装备或文件。
语法：

1. HANDLE CreateFile(
2.   LPCWSTR lpFileName,       // 指定文件名或设备名
3.   DWORD dwDesiredAccess,    // 请求的访问类型
4.   DWORD dwShareMode,        // 共享模式
5.   LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes, // 安全属性
6.   DWORD dwCreationDisposition, // 创建或打开的处置
7.   DWORD dwFlagsAndAttributes, // 文件属性
8.   HANDLE hTemplateFile      // 模板文件句柄
9. );

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用法：

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

2. CloseHandle

功能：关闭一个已打开的装备或文件句柄。
语法：

1. BOOL CloseHandle(
2.   HANDLE hObject // 要关闭的句柄
3. );

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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：

1. BOOL GetCommState(
2.   HANDLE hFile,     // 串口句柄
3.   LPDCB lpDCB       // 指向DCB结构体的指针
4. );

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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：

1. BOOL SetCommState(
2.   HANDLE hFile,     // 串口句柄
3.   LPDCB lpDCB       // 指向DCB结构体的指针
4. );

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用法：

• 用于设置串口的配置参数，如波特率、数据位、制止位和奇偶校验。
  

5. PurgeComm

功能：清除串口的输入输出缓冲区。
语法：

1. BOOL PurgeComm(
2.   HANDLE hFile,     // 串口句柄
3.   DWORD dwMask      // 指定要清除的缓冲区
4. );

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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：

1. BOOL ReadFile(
2.   HANDLE hFile,         // 串口句柄
3.   LPVOID lpBuffer,      // 数据缓冲区
4.   DWORD nNumberOfBytesToRead, // 要读取的字节数
5.   LPDWORD lpNumberOfBytesRead, // 实际读取的字节数
6.   LPOVERLAPPED lpOverlapped    // 异步读取时的重叠结构
7. );

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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：

1. BOOL WriteFile(
2.   HANDLE hFile,         // 串口句柄
3.   LPCVOID lpBuffer,     // 数据缓冲区
4.   DWORD nNumberOfBytesToWrite, // 要写入的字节数
5.   LPDWORD lpNumberOfBytesWritten, // 实际写入的字节数
6.   LPOVERLAPPED lpOverlapped      // 异步写入时的重叠结构
7. );

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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：

1. BOOL SetCommTimeouts(
2.   HANDLE hFile,     // 串口句柄
3.   LPCOMMTIMEOUTS lpCommTimeouts // 指向COMMTIMEOUTS结构体的指针
4. );

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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：

1. DWORD GetLastError(void);

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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。
  

以上函数是举行串口编程时最常用的，它们共同提供了串口装备的完整控制本领。在实际编程中，你需要根据具体的应用需求选择符合的函数组合，以实现串口的高效稳固通信。
2.2 扫描当前系统可用串口端口

在Windows环境下，使用C语言来罗列所有可用的串口，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：

1. #include <windows.h>
2. #include <stdio.h>
3. #include <string.h>
5. // 定义一个结构体存储串口信息
6. typedef struct _SERIAL_INFO {
7.     DWORD dwSize;
8.     HANDLE hFile;
9.     DWORD dwDeviceType;
10.     DWORD dwReserved;
11.     DWORD dwProviderSubType;
12.     DWORD dwServiceCharacteristics;
13.     DWORD dwVendorGuidData;
14.     DWORD dwDriverVersion;
15.     DWORD dwDriverDate;
16.     DWORD dwHardwareIndex;
17.     DWORD dwConfigFlags;
18.     DWORD dwNumParameters;
19.     DWORD dwNumProperties;
20. } SERIAL_INFO;
22. // 定义一个结构体存储串口属性
23. typedef struct _SERIAL_PROPERTY_KEY {
24.     DWORD dwPropertyKey;
25.     DWORD dwPropertyType;
26.     DWORD dwReserved;
27. } SERIAL_PROPERTY_KEY;
29. int main() {
30.     DWORD dwSize = 0;
31.     DWORD dwRetVal = 0;
32.     HANDLE hComm = NULL;
33.     SERIAL_INFO SerialInfo;
34.     SERIAL_PROPERTY_KEY SerialPropKey;
35.     TCHAR szPortName[MAX_PATH];
36.     DWORD dwBufferSize = 0;
37.     DWORD dwBytesReturned = 0;
38.     DWORD dwError = 0;
40.     // 获取所需的SERIAL_INFO结构体大小
41.     dwRetVal = QueryDosDevice(NULL, NULL, 0);
42.     if (dwRetVal == 0) {
43.         dwSize = GetLastError();
44.         SerialInfo.dwSize = dwSize;
45.     } else {
46.         printf("QueryDosDevice failed with error: %ld\n", GetLastError());
47.         return -1;
48.     }
50.     // 枚举所有的串口
51.     for (int i = 1; i <= 256; i++) {
52.         wsprintf(szPortName, TEXT("COM%d"), i);
53.         dwRetVal = QueryDosDevice(szPortName, NULL, 0);
54.         if (dwRetVal != 0) {
55.             continue; // 如果返回非零，则跳过，表示端口不存在或不可用
56.         }
57.         dwError = GetLastError();
58.         if (dwError != ERROR_INSUFFICIENT_BUFFER) {
59.             continue; // 如果错误不是缓冲区不足，则跳过
60.         }
62.         // 如果是缓冲区不足，则获取正确的缓冲区大小
63.         dwBufferSize = dwError;
64.         if (dwBufferSize > 0) {
65.             SerialInfo.dwSize = dwBufferSize;
66.             dwRetVal = QueryDosDevice(szPortName, (LPTSTR)&SerialInfo, dwBufferSize);
67.             if (dwRetVal != 0) {
68.                 // 成功获取串口信息，尝试打开串口
69.                 hComm = CreateFile(szPortName,
70.                                    GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,
71.                                    0, NULL,
72.                                    OPEN_EXISTING,
73.                                    FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,
74.                                    NULL);
75.                 if (hComm != INVALID_HANDLE_VALUE) {
76.                     // 打印可用的串口号
77.                     wprintf(L"Found COM port: %s\n", szPortName);
78.                     // 清理资源
79.                     CloseHandle(hComm);
80.                 }
81.             }
82.         }
83.     }
85.     return 0;
86. }

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这个代码片段会遍历从COM1到COM256的所有大概的串口号，尝试打开每一个串口，如果乐成打开，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举行数据互发通信

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

1. #include <windows.h>
2. #include <stdio.h>
3. #include <string.h>
5. int main() {
6.     HANDLE hComm;
7.     DCB dcbSerialParams = {0};
8.     COMMTIMEOUTS timeouts;
10.     // 打开串口
11.     hComm = CreateFile("COM3", GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, 0, NULL, OPEN_EXISTING, 0, NULL);
12.     if (hComm == INVALID_HANDLE_VALUE) {
13.         printf("无法打开串口。\n");
14.         return -1;
15.     }
17.     // 设置串口参数
18.     dcbSerialParams.DCBlength = sizeof(dcbSerialParams);
19.     if (!GetCommState(hComm, &dcbSerialParams)) {
20.         printf("无法获取串口状态。\n");
21.         CloseHandle(hComm);
22.         return -1;
23.     }
25.     dcbSerialParams.BaudRate = CBR_115200;       // 设置波特率为115200
26.     dcbSerialParams.ByteSize = 8;               // 设置数据位为8位
27.     dcbSerialParams.StopBits = ONESTOPBIT;      // 设置停止位为1位
28.     dcbSerialParams.Parity = NOPARITY;          // 设置无校验位
30.     if (!SetCommState(hComm, &dcbSerialParams)) {
31.         printf("无法设置串口参数。\n");
32.         CloseHandle(hComm);
33.         return -1;
34.     }
36.     // 设置超时时间
37.     timeouts.ReadIntervalTimeout = MAXDWORD;
38.     timeouts.ReadTotalTimeoutMultiplier = 0;
39.     timeouts.ReadTotalTimeoutConstant = 500;
40.     timeouts.WriteTotalTimeoutMultiplier = 0;
41.     timeouts.WriteTotalTimeoutConstant = 500;
42.     if (!SetCommTimeouts(hComm, &timeouts)) {
43.         printf("无法设置串口超时时间。\n");
44.         CloseHandle(hComm);
45.         return -1;
46.     }
48.     // 循环读取和回显数据
49.     char buffer[256];
50.     DWORD dwRead, dwWritten;
52.     while (1) {
53.         memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
54.         if (!ReadFile(hComm, buffer, sizeof(buffer)-1, &dwRead, NULL)) {
55.             printf("读取数据失败。\n");
56.             break;
57.         }
59.         if (dwRead > 0) {
60.             printf("接收到: %s\n", buffer);
61.             if (!WriteFile(hComm, buffer, dwRead, &dwWritten, NULL)) {
62.                 printf("写入数据失败。\n");
63.                 break;
64.             }
65.         }
66.     }
68.     // 清理资源
69.     CloseHandle(hComm);
70.     return 0;
71. }

复制代码

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、制止位和校验位。接着，使用SetCommTimeouts函数设置读写操作的超时时间，以防在没有数据的环境下无限等待。
接下来，进入一个无限循环，使用ReadFile函数从串口读取数据。如果读取乐成，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。

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