C#串口连接的读取和发送详解

一、串口连接的打开与关闭

串口，即COM口，在.NET中使用 SerialPort 类进行操作。串口开启与关闭，是涉及慢速硬件的IO操作，频繁打开或关闭会影响整体处理速度，甚至导致打开或关闭串口失败。非特殊情况，串口一次性打开后，在退出程序时关闭串口即可。在打开串口前，可以设置一些常用的参数。常用的参数如下：

（1）串口的接受/发送超时时间：ReadTimeout/WriteTimeout。

(2)  串口的接受/发送缓存区大小：ReadBufferSize/WriteBufferSize。

具体代码如下：

// Open Com
   _serialPort = new SerialPort(com, baud);
   if (_serialPort.IsOpen) _serialPort.Close();

   // Set the read / write timeouts
   _serialPort.ReadTimeout = 500;
   _serialPort.WriteTimeout = 500;

   // Set read / write buffer Size，the default of value is 1MB
   _serialPort.ReadBufferSize = 1024 * 1024;
   _serialPort.WriteBufferSize = 1024 * 1024;

   _serialPort.Open();

   // Discard Buffer
   _serialPort.DiscardInBuffer();
   _serialPort.DiscardOutBuffer();

需要注意的是超出缓冲区的部分会被直接丢弃。因此，如果需要使用串口传送大文件，那接收方和发送方都需要将各自的缓冲区域设置的足够大，以便能够一次性存储下大文件的二进制数组。若条件限制，缓冲区域不能设置过大，那就需要在发送大文件的时候按照发送缓冲区大小分包去发送，接收方按顺序把该数组组合起来形成接受文件的二进制数组。

二、串口发送

SerialPort 类发送支持二进制发送与文本发送，需要注意的是文本发送时，需要知道转换的规则，一般常用的是ASCII、UTF7、UTF-8、UNICODE、UTF32。具体代码如下：

#region Send
    /// <summary>
    /// 发送消息（byte数组）
    /// </summary>
    /// <param name="buffer"></param>
    /// <param name="offset"></param>
    /// <param name="count"></param>
    public void Send(byte[] buffer, int offset, int count)
    {
      lock (_mux)
      {
        _serialPort.Write(buffer, offset, count);
        _sendCount += (count - offset);
      }
    }

    /// <summary>
    /// 发送消息（字符串）
    /// </summary>
    /// <param name="encoding">字符串编码方式，具体方式见<see cref="Encoding"/></param>
    /// <param name="message"></param>
    public void Send(Encoding encoding , string message)
    {
      lock (_mux)
      {
        var buffer = encoding.GetBytes(message);
        _serialPort.Write(buffer, 0, buffer.Length);
        _sendCount += buffer.Length;
      }
    }
    #endregion

三、串口接受

串口接受需要注意，消息接受与消息处理要代码分离。不能把流程处理的代码放入信息接受处，因为消息处理或多或少会有耗时，这会造成当发送方发送过快时，接受方的接受缓冲区会缓存多条消息。我们可以把接受到的消息放入队列中，然后在外部线程中，尝试去拿出该条消息进行消费。采用 “生产-消费”模式。具体代码如下：

#region Receive
    private void PushMessage()
    {
      _serialPort.DataReceived += (sender, e) =>
      {
        lock (_mux)
        {
          if (_serialPort.IsOpen == false) return;
          int length = _serialPort.BytesToRead;
          byte[] buffer = new byte[length];
          _serialPort.Read(buffer, 0, length);
          _receiveCount += length;
          _messageQueue.Enqueue(buffer);
          _messageWaitHandle.Set();
        }
      };
    }

    /// <summary>
    /// 获取串口接受到的内容
    /// </summary>
    /// <param name="millisecondsToTimeout">取消息的超时时间</param>
    /// <returns>返回byte数组</returns>
    public byte[] TryMessage(int millisecondsToTimeout = -1)
    {
      if (_messageQueue.TryDequeue(out var message))
      {
        return message;
      }

      if (_messageWaitHandle.WaitOne(millisecondsToTimeout))
      {
        if (_messageQueue.TryDequeue(out message))
        {
          return message;
        }
      }
      return default;
    }
    #endregion

四、完整代码与测试结果

串口工具类的完整代码如下：

using System;
using System.Collections.Concurrent;
using System.Collections.Generic;
using System.IO.Ports;
using System.Linq;
using System.Runtime.Serialization;
using System.Text;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace SerialportDemo
{
  public class SSerialPort
  {
    private SerialPort _serialPort;
    private readonly ConcurrentQueue<byte[]> _messageQueue;
    private readonly EventWaitHandle _messageWaitHandle;
    private int _receiveCount, _sendCount;
    private readonly object _mux;
    public int ReceiveCount
    {
      get => _receiveCount;
    }
    public  int SendCount
    {
      get => _sendCount;
    }
    public SSerialPort(string com, int baud )
    {
      // initialized
      _mux=new object();
      _receiveCount = 0;
      _sendCount = 0;
      _messageQueue = new ConcurrentQueue<byte[]>();
      _messageWaitHandle = new EventWaitHandle(false, EventResetMode.AutoReset);

      // Open Com
      OpenCom(com.ToUpper(),baud);

      // Receive byte
      PushMessage();
    }

    private void OpenCom(string com, int baud)
    {
      // Open Com
      _serialPort = new SerialPort(com, baud);
      if (_serialPort.IsOpen) _serialPort.Close();

      // Set the read / write timeouts
      _serialPort.ReadTimeout = 500;
      _serialPort.WriteTimeout = 500;

      // Set read / write buffer Size，the default of value is 1MB
      _serialPort.ReadBufferSize = 1024 * 1024;
      _serialPort.WriteBufferSize = 1024 * 1024;

      _serialPort.Open();

      // Discard Buffer
      _serialPort.DiscardInBuffer();
      _serialPort.DiscardOutBuffer();
    }

    #region Static
    /// <summary>
    /// 获取当前计算机的串行端口名的数组
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    public static string[] GetPortNames()
    {
      return SerialPort.GetPortNames();
    }
    #endregion

    #region Receive
    private void PushMessage()
    {
      _serialPort.DataReceived += (sender, e) =>
      {
        lock (_mux)
        {
          if (_serialPort.IsOpen == false) return;
          int length = _serialPort.BytesToRead;
          byte[] buffer = new byte[length];
          _serialPort.Read(buffer, 0, length);
          _receiveCount += length;
          _messageQueue.Enqueue(buffer);
          _messageWaitHandle.Set();
        }
      };
    }

    /// <summary>
    /// 获取串口接受到的内容
    /// </summary>
    /// <param name="millisecondsToTimeout">取消息的超时时间</param>
    /// <returns>返回byte数组</returns>
    public byte[] TryMessage(int millisecondsToTimeout = -1)
    {
      if (_messageQueue.TryDequeue(out var message))
      {
        return message;
      }

      if (_messageWaitHandle.WaitOne(millisecondsToTimeout))
      {
        if (_messageQueue.TryDequeue(out message))
        {
          return message;
        }
      }
      return default;
    }
    #endregion

    #region Send
    /// <summary>
    /// 发送消息（byte数组）
    /// </summary>
    /// <param name="buffer"></param>
    /// <param name="offset"></param>
    /// <param name="count"></param>
    public void Send(byte[] buffer, int offset, int count)
    {
      lock (_mux)
      {
        _serialPort.Write(buffer, offset, count);
        _sendCount += (count - offset);
      }
    }

    /// <summary>
    /// 发送消息（字符串）
    /// </summary>
    /// <param name="encoding">字符串编码方式，具体方式见<see cref="Encoding"/></param>
    /// <param name="message"></param>
    public void Send(Encoding encoding , string message)
    {
      lock (_mux)
      {
        var buffer = encoding.GetBytes(message);
        _serialPort.Write(buffer, 0, buffer.Length);
        _sendCount += buffer.Length;
      }
    }
    #endregion

    /// <summary>
    /// 清空接受/发送总数统计
    /// </summary>
    public void ClearCount()
    {
      lock (_mux)
      {
        _sendCount = 0;
        _receiveCount = 0;
      }
    }

    /// <summary>
    /// 关闭串口
    /// </summary>
    public void Close()
    {
      _serialPort.Close();
    }
  }
}

测试代码如下：

class Program
  {
    static void Main(string[] args)
    {
      Console.WriteLine($"该计算机可使用的串口列表：{string.Join(",", SSerialPort.GetPortNames())}");

      Console.Write("请输入需要打开的串口：");
      string port = Console.ReadLine();
      SSerialPort com = new SSerialPort(port, 57600);
      Console.WriteLine($"串口 {port} 打开成功...");

      Console.Write("请输入需要打开的串口发送的消息：");
      string text = Console.ReadLine();

      while (true)
      {
        com.Send(Encoding.Default, text);
        Console.WriteLine($"总共发送 {com.SendCount}");
        var message = com.TryMessage();
        if (message != null)
        {
          Console.WriteLine($"{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")} {Encoding.Default.GetString(message)}");

          //// TEST:从添加延时可以测试到，接受消息和处理消息必须分不同线程处理。因为对于消息的处理或多或少都需要耗时，这样容易造成消息处理不及时。而添加到队列后，我们可以随时取出处理
          //System.Threading.Thread.Sleep(100*1);
        }
        Console.WriteLine($"总共接受 {com.ReceiveCount}");
      }

      Console.ReadKey();
    }
  }

使用串口工具测试如下，对于串口的接受如丝般顺滑。当我们在消息中增加测试延时后，就会发现当串口工具继续快速发送一段时间后关闭发送，发现使用队列后，依然没有丢失一条来自发送方的消息。

总结

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