C#串口高效可靠的接收方案設(shè)計(jì)

劉馬飛

摘 要：在事件觸發(fā)方式接收串口數(shù)據(jù)包時(shí)，尤其在數(shù)據(jù)包不定長的情況下，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)接收方案，否則會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包接收不完整的情況。文中介紹了一種C#平臺(tái)下串口數(shù)據(jù)包的接收方案，可高效可靠地接收串口數(shù)據(jù)包，對(duì)C#串口應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：C#；RS 232；串口通信；數(shù)據(jù)接收

中圖分類號(hào)：TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）08-00-03

0 引 言

C#.NET提供SerialPort類進(jìn)行串口數(shù)據(jù)收發(fā)通信。C#串口編程是職業(yè)教育物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)資源庫主干課程《物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備編程與實(shí)施》的核心內(nèi)容之一[1]。在使用SerialPort進(jìn)行數(shù)據(jù)接收時(shí)，面臨著“不知何時(shí)讀”的困境，通常采用系統(tǒng)封裝的事件觸發(fā)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)接收[2]，即C# SerialPort類封裝了DataReceived事件，當(dāng)串口接收緩沖區(qū)收到數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)超過SerialPort串口屬性ReceivedBytesThreshold的值時(shí)，系統(tǒng)將觸發(fā)DataReceived事件，調(diào)用該事件的響應(yīng)函數(shù)，因此，可在該事件的響應(yīng)函數(shù)中進(jìn)行串口數(shù)據(jù)接收操作[1]。本文介紹了常規(guī)的DataReceived事件驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)接收方法，提出了一種高效可靠的數(shù)據(jù)接收方案，并對(duì)可靠性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 C#串口常見數(shù)據(jù)接收方案

C#串口常見數(shù)據(jù)接收方法為在DataReceived事件響應(yīng)函數(shù)中，首先查詢接收緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)，然后申請(qǐng)一段字節(jié)數(shù)組的內(nèi)存空間，再調(diào)用SerialPort對(duì)象SPCOM的Read函數(shù)，將串口接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀取到字節(jié)數(shù)組中，最后對(duì)字節(jié)數(shù)組進(jìn)行處理。

串口通信設(shè)備傳遞的數(shù)據(jù)包通常為不定長數(shù)據(jù)包，因此ReceivedBytesThreshold通常取默認(rèn)值1，表示串口接收緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)大于或等于1便觸發(fā)DataReceived事件。由于DataReceived事件的觸發(fā)和處理運(yùn)行在輔助線程上，DataReceived事件觸發(fā)與DataReceived事件被處理而調(diào)用響應(yīng)函數(shù)之間存在微小的時(shí)延。因此，當(dāng)串口接收一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，可能出現(xiàn)在收到數(shù)據(jù)包第一個(gè)字節(jié)時(shí)觸發(fā)DataReceived事件，而當(dāng)該DataReceived事件被處理時(shí)，數(shù)據(jù)包并未接收完畢；也可能出現(xiàn)串口接收一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，觸發(fā)多次DataReceived事件的情況。在串口數(shù)據(jù)包出現(xiàn)時(shí)間間隔較大的情況下，可以采用一般可靠的方法，即在進(jìn)行串口數(shù)據(jù)接收操作之前，調(diào)用Thread.Sleep（100）休眠100 ms后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)接收操作，如此一來便降低了程序的響應(yīng)速度[3-4]。操作程序如下：

private void spCOM_DataReceived（object sender，SerialData ReceivedEventArgs e）

{

Thread.Sleep（100）//數(shù)據(jù)接收操作先休眠100 ms

//進(jìn)行串口數(shù)據(jù)接收操作

int icount = spCOM.BytesToRead；

byte[] data = new byte[icount]；

spCOM.Read（data，0，icount）；

//對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理操作

}

數(shù)據(jù)包通常包含有一定的包頭和包結(jié)束標(biāo)志，用于表征數(shù)據(jù)包的完整性。對(duì)于數(shù)據(jù)包的處理，必須在接收到完整數(shù)據(jù)包的前提下方可進(jìn)行。當(dāng)較多數(shù)據(jù)包到達(dá)間隔接近或過長時(shí)，使其休眠一段時(shí)間的方式可能并不奏效，如果簡單判斷包頭結(jié)束標(biāo)志不正確就丟棄數(shù)據(jù)，可能導(dǎo)致丟包，因此需要采用高效可靠的接收方案。

2 C#串口高效可靠的數(shù)據(jù)接收方案

根據(jù)上述分析，串口數(shù)據(jù)接收方案的高效性要求當(dāng)串口接收緩沖區(qū)存在數(shù)據(jù)時(shí)，需要立即進(jìn)行數(shù)據(jù)接收操作，因此串口控件的ReceivedBytesThreshold屬性取默認(rèn)值1，且在DataReceived事件響應(yīng)函數(shù)中接收串口數(shù)據(jù)前不進(jìn)行線程休眠。為了避免數(shù)據(jù)包接收不完整的情況出現(xiàn)，需要應(yīng)用程序?qū)Υ诮邮盏降臄?shù)據(jù)重新組裝，精確定位數(shù)據(jù)包的開頭和結(jié)尾，再進(jìn)行數(shù)據(jù)包的處理，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收的可靠性。

2.1 串口數(shù)據(jù)報(bào)文格式

本文以串口接收思遠(yuǎn)創(chuàng)智能設(shè)備10系列高頻RFID全協(xié)議讀寫器的數(shù)據(jù)包為例，闡述接收方案。該讀寫器返回的數(shù)據(jù)包長度不固定，其格式如圖1所示。

2.2 高效可靠接收的實(shí)現(xiàn)

為了對(duì)接收到的串口數(shù)據(jù)包重新組裝，需要應(yīng)用程序創(chuàng)建緩沖區(qū)。首先將接收到的串口數(shù)據(jù)填充到接收緩沖區(qū)，然后在接收緩沖區(qū)從前往后搜索包開始標(biāo)記STX與接收標(biāo)記ETX，從而可以獲得完整數(shù)據(jù)包。方案實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）應(yīng)用程序?qū)?chuàng)建類型為字節(jié)的泛型列表對(duì)象作為程序緩沖區(qū)，即在窗體成員變量中定義List recv_buf = new List（）。

（2）在DataReceived事件響應(yīng)函數(shù)中，首先定義兩個(gè)布爾變量data_sta_catched與data_end_catched，表示是否已經(jīng)尋找到數(shù)據(jù)包頭和數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)志，然后將串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)添加到程序緩沖區(qū)。

（3）判斷程序緩沖區(qū)是否包含一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包。判斷步驟如下：

①由于數(shù)據(jù)包的大小必然大于或等于6 B，因此，首先判斷程序緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)是否大于或等于6。若條件滿足，則進(jìn)行后續(xù)判斷；否則，結(jié)束判斷。

②在程序緩沖區(qū)從前往后尋找數(shù)據(jù)包頭STX（0x02），對(duì)于非數(shù)據(jù)包頭的數(shù)據(jù)，將其移出程序緩沖區(qū)，確保尋找到的數(shù)據(jù)包頭位于程序緩沖區(qū)的開始位置。尋找到數(shù)據(jù)包頭后，將data_sta_catched置為True，并結(jié)束尋找。

③若已成功尋找到數(shù)據(jù)包頭，則檢查數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)志以確定是否已經(jīng)收到完整數(shù)據(jù)包。由于數(shù)據(jù)包頭STX位于程序緩沖的開始位置，程序緩沖的第三個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)包的DATALENGTH字段，表征了數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)字節(jié)的長度，即包括STATUS 和DATA 域的字節(jié)數(shù)，因此本數(shù)據(jù)包的總長度應(yīng)在DATALENGTH字段值上加5。

可首先通過判斷程序緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)是否大于或等于當(dāng)前數(shù)據(jù)包的總長度。若條件滿足，則通過DATALENGTH字段推斷數(shù)據(jù)包結(jié)束字節(jié)位置，并判斷該字節(jié)是否為數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)志ETX（0x03）。若該字節(jié)為數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)志，表明成功尋找到了數(shù)據(jù)包，則置data_end_catched為True，并確定數(shù)據(jù)包的長度len_packet；若該字節(jié)不為數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)志，則可斷定②中data_sta_catched并非真正的數(shù)據(jù)包開頭，因此刪除該偽數(shù)據(jù)包頭，并置data_sta_catched為False。

④判斷data_sta_catched和data_end_catched是否均為True，若條件滿足，則程序緩沖區(qū)從字節(jié)0位置開始已包含一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包長度為len_packet，因此便可對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，處理完畢后需要將該數(shù)據(jù)包從程序緩沖區(qū)中刪除。

方案的實(shí)現(xiàn)代碼如下：

private void spCOM_DataReceived（object sender，SerialData ReceivedEventArgs e）

{//定義兩個(gè)標(biāo)志，記錄是否找到數(shù)據(jù)包開始和數(shù)據(jù)包結(jié)束

bool data_sta_catched=false；

bool data_end_catched=false；

//把本次數(shù)據(jù)添加到接收緩沖中

int iCount = 0，idx；

iCount = spCOM.BytesToRead；

byte[] bData = new byte[iCount]；

spCOM.Read（bData，0，iCount）；

recv_buf.AddRange（bData）；

//尋找數(shù)據(jù)包的開始位置和結(jié)束位置，數(shù)據(jù)包大小必然等于6

int len_packet=0；

if（recv_buf.Count >= 6）//判斷程序緩沖區(qū)是否大于6

{

while（recv_buf.Count > 0）//從前往后尋找數(shù)據(jù)包頭0x02

{

if（recv_buf[0] == 2）

{

data_sta_catched = true；

break；

}

else

{

recv_buf.RemoveAt（0）；

}

}

//找到數(shù)據(jù)包頭后，再來檢查是否已經(jīng)收到完整數(shù)據(jù)包

if（data_sta_catched）

{

iCount= Convert.ToInt32（recv_buf[2]）；

if（recv_buf.Count >= iCount + 5）

{

if（recv_buf[iCount + 4] == 3）

{

data_end_catched = true；

len_packet = iCount + 5；

}

else

{

recv_buf.RemoveAt（0）；

data_sta_catched = false；

}

}

}

}

//收到完整數(shù)據(jù)包，解析數(shù)據(jù)包

if（data_sta_catched&& data_end_catched）

{

//對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，然后將該數(shù)據(jù)包從緩沖區(qū)中移除

recv_buf.RemoveRange（0，len_packet）；

}

}

方案驗(yàn)證：

由于接收操作摒棄了常規(guī)方法中的增加線程休眠方式，因此數(shù)據(jù)接收的高效性通過Windows線程并發(fā)得以保證，讀者可將方案在C#串口通信程序中實(shí)現(xiàn)，觀察接收數(shù)據(jù)的實(shí)

時(shí)性。

為了驗(yàn)證接收方案的可靠性，避免數(shù)據(jù)中偽數(shù)據(jù)包頭和偽數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)志對(duì)數(shù)據(jù)包接收造成干擾而引起丟包，避免硬件電路中熱噪聲對(duì)接收方案的可靠性檢測(cè)產(chǎn)生干擾，采用虛擬串口軟件創(chuàng)建一對(duì)虛擬串口COM1和COM2進(jìn)行模擬。測(cè)試程序中創(chuàng)建發(fā)送線程不間斷發(fā)送100 000個(gè)不定長的數(shù)據(jù)包到COM1，然后利用本文接收方案在COM2上進(jìn)行串口數(shù)據(jù)接收，可成功接收到100 000個(gè)數(shù)據(jù)包。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，本文接收方案成功避免了數(shù)據(jù)中偽數(shù)據(jù)包頭和偽數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)志對(duì)數(shù)據(jù)包接收造成干擾而引起丟包的現(xiàn)象，從而證明該接收方案具有高可靠性。

3 結(jié) 語

本文介紹了一種在C#平臺(tái)下串口數(shù)據(jù)包的接收方案，通過應(yīng)用程序增加緩沖區(qū)對(duì)數(shù)據(jù)包重組，避免了簡單接收時(shí)數(shù)據(jù)包丟失的不足，可高效、可靠地接收串口數(shù)據(jù)包，對(duì)C#串口應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

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