Java串口操作

发表于 2021-05-28 更新于 2023-09-04 分类于 java

概述

这篇文章讲解了使用 rxtx 工具包在 java 程序中连接串口，并使用串口收发数据。

认识串口

串行接口（Serial Interface）简称串口，也称串行通信接口或串行通讯接口（通常是指COM接口），是采用串行通信方式的扩展接口，串口传输时数据一位一位地顺序传送。串行通信具有通信线路简单的特点，只需要一对传输线就可以实现双向通信，降低了成本，适合远距离通信，缺点是传输速度较慢。

串口标准分类：

RS-232: 也称标准串口，最常用的串行通信接口。
RS-422: 全称“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。
RS-485: 在 RS-422 基础上发展而来。

驱动下载

这里使用的连接工具是 JavaRXTX，用于在java中实现串口和并行通信，它能够在64位/32位的Windows和Linux系统上使用。

RXTX for Java: http://fizzed.com/oss/rxtx-for-java

注意：下载时要区分平台，网站提供了Windows版和Linux版，此外还需要区分系统架构，即区分64位和32位的 JVM，特别注意是 JVM 的版本，而不是系统的版本。

下载解压后，需要将包和驱动拷贝到Java目录下：

Windows：

RXTXcomm.jar 拷贝到 <JAVA_HOME>\jre\lib\ext
rxtxSerial.dll 拷贝到 <JAVA_HOME>\jre\bin
rxtxParallel.dll 拷贝到 <JAVA_HOME>\jre\bin

Linux:

RXTXcomm.jar 拷贝到 <JAVA_HOME>/jre/lib/ext
librxtxSerial.so 拷贝到 <JAVA_HOME>/jre/lib/i386/
librxtxParallel.so 拷贝到 <JAVA_HOME>/jre/lib/i386/

代码示例

导入串口通信jar包

下载 rxtx 的 jar 包导入项目，或在 pom.xml 中添加依赖：

<dependency>
    <groupId>org.rxtx</groupId>
    <artifactId>rxtx</artifactId>
    <version>2.1.7</version>
</dependency>

查看可用串口

使用 CommPortIdentifier 类的静态方法 getPortIdentifiers() 获取当前主机中可有的串口列表，返回结果是一个 Enumeration （列举），使用 while 循环遍历其中元素，即为串口信息。通过 getName() 方法获取串口名称，以此判断是否是我们想要开启的串口。

Enumeration<CommPortIdentifier> em = CommPortIdentifier.getPortIdentifiers();
while (em.hasMoreElements()) {
    String name = em.nextElement().getName();
    System.out.println(name);
}

使用串口

获取所有可用的串口信息列表，遍历列表，通过串口名找到想要开启的串口，串口信息对象的类型为 CommPortIdentifier 。
使用 CommPortIdentifier 的 open(String owner, int timeOut) 方法开启串口通信，方法参数分别是：owner 串口使用者（名称随意），timeOut 开启串口的超时时间，单位毫秒。
开启串口后将对象类型强转成 SerialPort 类型，即为我们可用于传输数据的对象，然后需要使用 setSerialPortParams(int baudRate, int dataBit, int stopBit, int checkType) 方法为串口对象设定参数，包括波特率、数据位、停止位、校验方式。
使用串口对象的 addEventListener(SerialPortEventListener listener) 方法添加串口事件监听器，SerialPortEventListener 是一个接口，需要自己实现它。
添加串口事件监听器后，还需要使用 notifyOnDataAvailable(boolean b) 开启数据可用时的通知，开启后，收到数据时才会触发事件，监听器才会收到通知。
收数据：在串口事件监听器中，需要实现 serialEvent(SerialPortEvent serialPortEvent) 方法，通过 SerialPortEvent 类的 getEventType() 方法获取事件类型，当事件类型为 SerialPortEvent.DATA_AVAILABLE 时，说明有可读数据，通过串口对象的 getInputStream() 方法获取输入流，使用输入流即可从流中读取数据。
发数据：使用串口对象的 getOutputStream() 方法获取输出流，通过输出流即可发送数据。

import gnu.io.*;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.util.Enumeration;
import java.util.TooManyListenersException;

public class Test {
  private static SerialPort mySerialPort = null;
  
  public static void main(String[] args) {
    String myCommName = "COM2"; // 要开启的端口名
    int baudRate = 9600; // 通信波特率
    int dataBit = SerialPort.DATABITS_8; // 数据位，8
    int stopBit = SerialPort.STOPBITS_1; // 停止位，1
    int checkBit = SerialPort.PARITY_NONE; // 校验方式，无

    // 获取所有可用的串口信息
    Enumeration<CommPortIdentifier> commPorts = CommPortIdentifier.getPortIdentifiers();
    while (commPorts.hasMoreElements()) {
      CommPortIdentifier port = commPorts.nextElement();
      System.out.println("Port: " + port.getName());
      if (CommPortIdentifier.PORT_SERIAL == port.getPortType() && myCommName.equals(port.getName())) {
        try {
          // 开启串口，参数: 程序名称; 开启端口超时时间：ms
          mySerialPort = (SerialPort) port.open("TestProgram", 2000); 
            
          // 设置串口通讯参数: 波特率，数据位，停止位, 校验方式
          mySerialPort.setSerialPortParams(baudRate, dataBit, stopBit, checkBit);
            
          // 添加串口事件监听器
          mySerialPort.addEventListener(new SerialPortEventListener() {
            public void serialEvent(SerialPortEvent serialPortEvent) {
              // 休眠 25ms，解决数据断行问题
              try {
                Thread.sleep(25);
              } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
              }
              switch (serialPortEvent.getEventType()) {
                case SerialPortEvent.BI: // 通讯中断
                case SerialPortEvent.OE: // 溢位错误
                case SerialPortEvent.FE: // 帧错误
                case SerialPortEvent.PE: // 奇偶校验错误
                case SerialPortEvent.CD: // 载波检测
                case SerialPortEvent.CTS: // 清除发送
                case SerialPortEvent.DSR: // 数据设备准备好
                case SerialPortEvent.RI: // 响铃侦测
                case SerialPortEvent.OUTPUT_BUFFER_EMPTY: // 输出缓冲区已清空
                  break;
                case SerialPortEvent.DATA_AVAILABLE: // 有数据到达
                  // 读取数据
                  InputStream inputStream = null;
                  try {
                    // 获取输入流
                    inputStream = mySerialPort.getInputStream();
                    while (inputStream.available() > 0) {
                      int len = inputStream.available();
                      byte[] readBuffer = new byte[len];
                      inputStream.read(readBuffer);
                      String data = new String(readBuffer, 0, len).trim();
                      System.out.println("Receive data: " + data);
                      // 打印收到的字节
                      System.out.print("Hex data: ");
                      for (byte b : readBuffer) {
                        String s = Integer.toHexString(0xFF & b);
                        System.out.print(b < 16 ? "0" + s : s);
                      }
                      System.out.println();
                    }
                  } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                  } finally {
                    if (inputStream != null) {
                      try {
                        inputStream.close();
                      } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                      }
                    }
                  }
                  break;
                default:
                  break;
              }
            }
          });
          // 开启当有数据时的通知
          mySerialPort.hnotifyOnDataAvailable(true); 

          // 发送数据
          // 获取串口输出流
          OutputStream outputStream = mySerialPort.getOutputStream(); 
          outputStream.write("hello".getBytes());
          outputStream.flush();
          if (outputStream != null) outputStream.close();

        } catch (PortInUseException e) {
          e.printStackTrace();
        } catch (TooManyListenersException e) {
          e.printStackTrace();
        } catch (UnsupportedCommOperationException e) {
          e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
          e.printStackTrace();
        }
        break;
      }
    }
  }
}

测试

如果没有硬件用来测试串口，可以使用模拟串口软件来模拟，这里使用到的是 Virtual Serial Port Driver 工具，收费软件，可免费使用 14 天。用这个软件可以创建虚拟串口组，我们可以开启两个串口程序分别连接，即可进行通信测试。

软件操作很简单，创建一个 Pair 即可，我创建的是 COM2 和 COM3 ，是两个虚拟串口，通过程序连上这两个串口后，软件上会显示串口连接信息，包括连接的程序、配置、收发字节数。

将上述的 java 代码再复制一份，并将代码中的连接串口名分别改成创建的虚拟串口 COM2 和 COM3 ，运行代码后，查看 Virtual Serial Port Driver ，发现串口已经被连接上了。查看java程序控制台，发现其中一个程序控制台输出收到的数据，说明程序运行成功。

1
2
3

Data len: 5
Receive data: hello
Hex data: 68656c6c6f

模拟串口工具

Virtual Serial Port Driver (免费试用14天)

Download Virtual Serial Port Driver: https://www.eltima.com/vspd-post-download.html

为开发、测试、排错人员设计的串口工具，能够创建大量虚拟串口，解决系统没有串口的难题。Virtual Serial Port Driver 不能能单独使用，还能将高级特性直接集成到用户的产品中去。

Virtual Serial Ports Kit (免费试用14天)

Download Virtual Serial Port Kit: https://www.virtual-serial-port.com/virtual-serial-port-kit-download.html

能够创建使用虚拟零调制解调器线缆（virtual null-modem cable）连接的虚拟串口，让软件像连接真实的零调制解调器线缆一样工作。

Free Virtual Serial Ports (免费)

FREE Virtual Serial Ports driver, Rs-232 null modem emulator: https://freevirtualserialports.com/

Windows 平台下的串口模拟工具，能够创建使用虚拟零调制解调器线缆（virtual null-modem cable）连接的虚拟串口。支持 Win 10 32位和64位，支持Windows Server 2019。

完整版可免费试用14天，免费版可免费使用，但功能有限制，限制包括：

没有永久设备
不能创建远程网桥
不能用户命名设备
不支持多个设备使用相同模式
不支持高级设备配置
不能用于商业、政府和军事用途

注意事项

驱动版本

RXTX 驱动在使用时需要区分架构版本，32位或64位，需要注意的是这个版本是指 JAVA 的版本，而不是操作系统的架构版本。

驱动配置

使用 RXTX for Java 操作串口时，需要先配置驱动，将驱动文件拷贝到运行环境中，操作方式参考驱动下载一节，否则会报下面的错：

1	java.lang.UnsatisfiedLinkError: no rxtxSerial in java.library.path

串口数据读取断行问题

在实际情况中，读取串口数据时，可能会出现数据读取断行的问题，导致程序收到的数据被分成几段，可以在串口事件监听器中添加 Thread.sleep(time) 来短暂休眠，以此解决。其中 time 是休眠时长，单位毫秒，这个值需要小于数据发送方的数据发送间隔。如传感器每 50ms 上传一次数据，则可选择休眠 25ms 。

try {
    Thread.sleep(25);
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
}

参考资料

java 串口通信实现流程: https://www.cnblogs.com/zhylioooo/p/7886189.html
java读写串口数据: https://www.cnblogs.com/new-life/p/9345849.html
java串口通信编程实例: http://www.elecfans.com/d/627763.html
几款优秀的 Windows 虚拟串口模拟器: https://blog.csdn.net/ybhuangfugui/article/details/106088618
Java使用RXTX读取串口: https://blog.csdn.net/weixin_44613063/article/details/98593433

总结

串口通信在硬件开发时经常用到，学会用 java 操作串口，对于想要接触或配合硬件开发的 java 程序员来说，还是挺重要的。需要注意的是，对于硬件的操作需要区分平台，所以需要根据运行环境下载安装不同版本的工具包。另外， java 操作串口的库已经很久没有更新过了，随着硬件的发展，不知道以后这些库会不会有问题。