.Net Core跨平台应用研究-CustomSerialPort(增强型跨平台串口类库)

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作者:赫山老妖

.Net Core跨平台应用研究-CustomSerialPort

-增强型跨平台串口类库

摘要

在使用SerialPort进行串口协议解析过程中，经常遇到接收单帧协议数据串口接收事件多次触发，协议解析麻烦的问题。针对此情况，基于开源跨平台串口类库SerialPortStrem进行了进一步封装，实现了一种接收超时响应事件机制，简化串口通讯的使用。

引言

最近，写了一篇博文《.net core跨平台应用研究-串口篇》得到了一些园友的好评，文中介绍了在跨平台应用研究过程中，在dotnet core下使用SerialPort类库在linux下不能支持的踩坑经历及解决办法。

因网上关于SerialPort类库使用的相关文章较多，在该文中，对串口类库的使用，一笔带过。但在实际使用，使用过SerialPort类库的同学，可能遇到过在数据接收时，由于数据接收事件的触发具有不确定性，很多时候，一帧通讯协议数据，会多次触发，造成程序处理协议数据较为麻烦的问题。

为简化串口通讯类库的使用，笔者结合自己的相关经验，封装了一个自定义增强型跨平台串口类库，以解决一帧协议数据，多次触发的问题。

基础类库的选择

由于考虑的是跨平台应用，SerialPort类库并不支持linux系统（在前一篇文章中已介绍过踩坑经历），笔者选用了SerialPortStream类库进行封装。

该类库支持windows系统和Linux系统，但在Linux系统下运行，需要额外编译目标平台支持库并进行相关环境配置。

相关编译配置说明在https://github.com/jcurl/SerialPortStream已有介绍，也可参考本人的拙作《.net core跨平台应用研究-串口篇》

类库的实现

创建跨平台类库

为了支持跨平台，我们使用Visual Studio017创建一个基于.NET Standard的类库。

NET Standard是一项API规范，每一个特定的版本，都定义了必须实现的基类库。

.NET Core是一个托管框架，针对构建控制台、云、ASP.NET Core和UWP应用程序进行了优化。

每一种托管实现（如.NET Core、.NET Framework或Xamarin）都必须遵循.NET Standard实现基类库（BCL）。

关于NET Standard和跨平台的详细说明在此：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/30081607

笔者也不再啰嗦呵。

实现机制/条件

通常串口通讯中，发送数据后，会有一段时间用于等待接收方应答，如此一来，两次数据发送之间，必然会有一定的时间间隔。如ModbusRTU协议就规定，两次数据报文发送之间，需要等待超过发送4个字节以上的间隔时间。

笔者在单片机以及实时性较高的嵌入式系统中，为处理串口接收与协议的无关性，通常采用数据帧接收超时来处理数据帧的接收。根据串口通讯的速率计算出两次通讯之间所需要超时间隔，取两倍超时间隔时间作为超时参数，每接收到一个字节，将数据放入缓冲区并进行计时，当最后一个字节的接收时间超过超时时间，返回接收数据并清空缓存，一次完整接收完成（DMA接收方式不在此讨论）。

.net core跨平台实现

在自定义的串口类中，订阅基础串口类数据接收事件，在接收事件每次触发后，读出当前可用的缓冲数据到自定义缓冲区，同时，标记最后接收时间Tick为当前系统Tick。判断是否开启了接收超时处理线程，如未开启，则开启一个接收超时处理线程。

接收超时处理线程中，以一个较小的时间间隔进行判断，如果最后接收时间与当前时间之间的间隔小于设置值（默认128ms），休眠一段时间（默认16ms）后循环检查。如间隔时间大于设定值，触发外部接收订阅事件，传出接收到的数据，退出超时处理线程。

此处应有流程图。呵呵，懒得画了，大家自行脑补吧。 ^_^

在windows系统或linux系统中，因系统的多任务处理的特性，系统实时性较差，通常50ms以下时间间隔的定时任务，较大程序会出现不可靠的情况（任务执行时间都有可能超过调用间隔时间）。

因此，默认超时时间间隔设置为128ms。也可根据实际使用情况调整，但最小间隔不宜低于64ms。

注：此处为个人经验和理解，如不认同，请直接忽视。

主要代码

串口接收事件代码：

 1         protected void Sp_DataReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e)
 2         {
 3             int canReadBytesLen = 0;
 4             if (ReceiveTimeoutEnable)
 5             {
 6                 while (sp.BytesToRead > 0)
 7                 {
 8                     canReadBytesLen = sp.BytesToRead;
 9                     if (receiveDatalen + canReadBytesLen > BufSize)
10                     {
11                         receiveDatalen = 0;
12                         throw new Exception("Serial port receives buffer overflow!");
13                     }
14                     var receiveLen = sp.Read(recviceBuffer, receiveDatalen, canReadBytesLen);
15                     if (receiveLen != canReadBytesLen)
16                     {
17                         receiveDatalen = 0;
18                         throw new Exception("Serial port receives exception!");
19                     }
20                     //Array.Copy(recviceBuffer, 0, receivedBytes, receiveDatalen, receiveLen);
21                     receiveDatalen += receiveLen;
22                     lastReceiveTick = Environment.TickCount;
23                     if (!TimeoutCheckThreadIsWork)
24                     {
25                         TimeoutCheckThreadIsWork = true;
26                         Thread thread = new Thread(ReceiveTimeoutCheckFunc)
27                         {
28                             Name = "ComReceiveTimeoutCheckThread"
29                         };
30                         thread.Start();
31                     }
32                 }
33             }
34             else
35             {
36                 if (ReceivedEvent != null)
37                 {
38                     // 获取字节长度
39                     int bytesNum = sp.BytesToRead;
40                     if (bytesNum == 0)
41                         return;
42                     // 创建字节数组
43                     byte[] resultBuffer = new byte[bytesNum];
44 
45                     int i = 0;
46                     while (i < bytesNum)
47                     {
48                         // 读取数据到缓冲区
49                         int j = sp.Read(recviceBuffer, i, bytesNum - i);
50                         i += j;
51                     }
52                     Array.Copy(recviceBuffer, 0, resultBuffer, 0, i);
53                     ReceivedEvent(this, resultBuffer);
54                     //System.Diagnostics.Debug.WriteLine("len " + i.ToString() + " " + ByteToHexStr(resultBuffer));
55                 }
56                 //Array.Clear (receivedBytes,0,receivedBytes.Length );
57                 receiveDatalen = 0;
58             }
59         }

View Code

接收超时处理线程代码：

 1         /// <summary>
 2         /// 超时返回数据处理线程方法
 3         /// </summary>
 4         protected void ReceiveTimeoutCheckFunc()
 5         {
 6             while (TimeoutCheckThreadIsWork)
 7             {
 8                 if (Environment.TickCount - lastReceiveTick > ReceiveTimeout)
 9                 {
10                     if (ReceivedEvent != null)
11                     {
12                         byte[] returnBytes = new byte[receiveDatalen];
13                         Array.Copy(recviceBuffer, 0, returnBytes, 0, receiveDatalen);
14                         ReceivedEvent(this, returnBytes);
15                     }
16                     //Array.Clear (receivedBytes,0,receivedBytes.Length );
17                     receiveDatalen = 0;
18                     TimeoutCheckThreadIsWork = false;
19                 }
20                 else
21                     Thread.Sleep(16);
22             }
23         }

View Code

创建.net core控制台程序

为验证我们的类库是否能够正常工作，我们创建一个使用类库的.net core控制台程序。

为啥选择dotnet core,原因很简单，跨平台。本程序分别需在windows和linux系统下进行运行测试。

控制台程序主要实现以下功能：

显示系统信息（系统标识、程序标识等）
列举系统可用串口资源
选择串口
打开串口/关闭串口
串口测试（打开/发送/关闭）

 1         static void Main(string[] args)
 2         {
 3             SetLibPath();
 4             ShowWelcome();
 5 
 6             GetPortNames();
 7             ShowPortNames();
 8 
 9             if (serailports.Length == 0)
10             {
11                 Console.WriteLine($"Press any key to exit");
12                 Console.ReadKey();
13 
14                 return;
15             }
16 #if RunIsService
17             RunService();
18 #endif
19 
20             bool quit = false;
21             while (!quit)
22             {
23                 Console.WriteLine("rnPlease Input command Keyrn");
24                 Console.WriteLine("p:Show SerialPort List");
25                 Console.WriteLine($"t:Test Uart:"{selectedComPort}"");
26                 Console.WriteLine($"o:Open Uart:"{selectedComPort}"");
27                 Console.WriteLine($"c:Close Uart:"{selectedComPort}"");
28                 Console.WriteLine("n:select next serial port");
29                 Console.WriteLine("q:exit app");
30                 Console.WriteLine();
31                 var key = Console.ReadKey().KeyChar;
32                 Console.WriteLine();
33 
34                 switch (key)
35                 {
36                     case (Char)27:
37                     case 'q':
38                     case 'Q':
39                         quit = true;
40                         break;
41                     case 's':
42                         ShowWelcome();
43                         break;
44                     case 'p':
45                         ShowPortNames();
46                         break;
47                     case 'n':
48                         SelectSerialPort();
49                         break;
50                     case 't':
51                         TestUart(selectedComPort);
52                         break;
53                     case 'w':
54                         TestWinUart(selectedComPort);
55                         break;
56                     case 'o':
57                         OpenUart(selectedComPort);
58                         break;
59                     case 'c':
60                         CloseUart();
61                         break;
62                 }
63             }
64         }