Android Studio的串口通讯开发

基于android-serialport-api实现

前言
RS232标准接口
UART
RS232与UART转接
下载 NDK 和构建工具
创建支持 C/C++ 的新项目
编译C/C++代码
串口通讯原理
关于校验位
HexString与Bytes的转换
参考

前言

软件代码写久了，总会对嵌入式开发感兴趣，因为软件的东西写来写去看不见摸不着，而嵌入式硬件开发，可以捣鼓一些机械设备玩，电子感应灯，遥控车啥的，这也就是传说中的创客啊！后面索性买了一套单片机教程《手把手教你学51单片机》和板子学习，作为入门书来说，确实挺不错，配合上官方的板子，把单片机的基础原理都将的挺透彻，其中还包括了C语言的讲解，为嵌入式开发打下基础。

共花了2个月把单片机学了一遍，最后觉得也没有想象中的难，因为其实到头来还是像在使用工具，只是知识体系会有些不一样，主要就是基于C/汇编语言通过单片机对寄存器、定时器、每个引脚的高低电平的使用，然后参考硬件手册，对每个硬件进行操作，以达到想要实现的效果。而如果想要实现自己的最小系统，或者弄出一些好玩的东西，还要自己根据物力电气原理选原件、画PCB板子，这就是硬件工程师要干的事情了。

刚好公司项目里基于Android板子开发了一些串口通讯的应用，得益于之前单片机的学习，没有遇到太多困难，记录分享一下。

RS232标准接口

也就是PC电脑上所说的COM口，RS232是负逻辑电平，它定义+5~+12V为低电平，而-12~-5V为高电平。

正常情况下，PC台式主机机箱都会有一个RS232的通讯接口（别和VGI的口搞错啦！），而目前笔记本几乎不会带有了，所以都是用USB转接口。

UART

及Universal Asynchronous Receiver Transmitter：通用异步收发器，通常ARM嵌入式板子都会集成此接口

UART有4个pin（VCC, GND, RX, TX）, 用的TTL电平, 低电平为0(0V)，高电平为1（3.3V或以上）。

RS232与UART转接

通常嵌入式里所说的串口，是指UART口，但硬件众多，大多数都是基于RS232和UART，有时候这两种口之间需要通讯，最主要不同的其实也就是电平不一样，所以需要转接口，某宝上MAX3232种类繁多。

下载 NDK 和构建工具

由于是使用JNI直接进行串口设备的读写，所以需要下载工具。android studio版本务必要2.2以上
运行SDK Manager，下载3个工具，CMake、LLDB、NDK
PS：如果下载进度很慢，请使用国内镜像

创建支持 C/C++ 的新项目

在 Customize C++ Support 选项卡中。你有下面几种方式来自定义你的项目：

1. C++ Standard：点击下拉框，可以选择标准 C++，或者选择默认 CMake 设置的 Toolchain Default 选项。
2. Exceptions Support：如果你想使用有关 C++ 异常处理的支持，就勾选它。勾选之后，Android Studio 会在 module 层的 build.gradle 文件中的 cppFlags 中添加 -fexcetions 标志。
3. Runtime Type Information Support：如果你想支持 RTTI，那么就勾选它。勾选之后，Android Studio 会在 module 层的 build.gradle 文件中的 cppFlags 中添加 -frtti 标志。

新建成功之后，相对于以前的项目目录，多了几个地方。

1. cpp 目录存放你所有 native code 的地方，包括源码，头文件，预编译项目等。对于新项目，Android Studio 创建了一个 C++ 模板文件：native-lib.cpp，并且将该文件放到了你的 app 模块的 src/main/cpp/ 目录下。这份模板代码提供了一个简答的 C++ 函数：stringFromJNI()，该函数返回一个字符串：”Hello from C++”。
2. External Build Files 目录是存放 CMake 或 ndk-build 构建脚本的地方。有点类似于 build.gradle 文件告诉 Gradle 如何编译你的 APP 一样，CMake 和 ndk-build 也需要一个脚本来告知如何编译你的 native library。对于一个新的项目，Android Studio 创建了一个 CMake 脚本：CMakeLists.txt，并且将其放到了你的 module 的根目录下。
3. gradle的脚本下也加入了externalNativeBuild字段来显示指定CMake。

PS：如果现有项目需要添加C/C++ 代码，则参考项目模板添加相应文件即可。

编译C/C++代码

CMakeLists.txt

# Sets the minimum version of CMake required to build the native
# library. You should either keep the default value or only pass a
# value of 3.4.0 or lower.
cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)
# Creates and names a library, sets it as either STATIC
# or SHARED, and provides the relative paths to its source code.
# You can define multiple libraries, and CMake builds it for you.
# Gradle automatically packages shared libraries with your APK.
add_library( # Sets the name of the library.
             serial_port
             # Sets the library as a shared library.
             SHARED
             # Provides a relative path to your source file(s).
             # Associated headers in the same location as their source
             # file are automatically included.
             src/main/cpp/SerialPort.c )
# Searches for a specified prebuilt library and stores the path as a
# variable. Because system libraries are included in the search path by
# default, you only need to specify the name of the public NDK library
# you want to add. CMake verifies that the library exists before
# completing its build.
find_library( # Sets the name of the path variable.
              log-lib
              # Specifies the name of the NDK library that
              # you want CMake to locate.
              log )
# Specifies libraries CMake should link to your target library. You
# can link multiple libraries, such as libraries you define in the
# build script, prebuilt third-party libraries, or system libraries.
target_link_libraries( # Specifies the target library.
                       serial_port
                       # Links the target library to the log library
                       # included in the NDK.
                       ${log-lib} )

SerialPort.h

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include <jni.h>
/* Header for class android_serialport_api_SerialPort */
#ifndef _Included_android_serialport_api_SerialPort
#define _Included_android_serialport_api_SerialPort
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     android_serialport_api_SerialPort
 * Method:    open
 * Signature: (Ljava/lang/String;II)Ljava/io/FileDescriptor;
 */
JNIEXPORT jobject JNICALL Java_android_1serialport_1api_SerialPort_open
  (JNIEnv *, jclass, jstring, jint, jint);
/*
 * Class:     android_serialport_api_SerialPort
 * Method:    close
 * Signature: ()V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_android_1serialport_1api_SerialPort_close
  (JNIEnv *, jobject);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

SerialPort.c

/*
* Copyright 2009-2011 Cedric Priscal
*
* Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
* you may not use this file except in compliance with the License.
* You may obtain a copy of the License at
*
* http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
*
* Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
* distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
* WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
* See the License for the specific language governing permissions and
* limitations under the License.
*/
#include <termios.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <jni.h>
#include "SerialPort.h"
#include "android/log.h"
static const char *TAG="serial_port";
#define LOGI(fmt, args...) __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO,  TAG, fmt, ##args)
#define LOGD(fmt, args...) __android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG, TAG, fmt, ##args)
#define LOGE(fmt, args...) __android_log_print(ANDROID_LOG_ERROR, TAG, fmt, ##args)
static speed_t getBaudrate(jint baudrate)
{
    switch(baudrate) {
    case 0: return B0;
    case 50: return B50;
    case 75: return B75;
    case 110: return B110;
    case 134: return B134;
    case 150: return B150;
    case 200: return B200;
    case 300: return B300;
    case 600: return B600;
    case 1200: return B1200;
    case 1800: return B1800;
    case 2400: return B2400;
    case 4800: return B4800;
    case 9600: return B9600;
    case 19200: return B19200;
    case 38400: return B38400;
    case 57600: return B57600;
    case 115200: return B115200;
    case 230400: return B230400;
    case 460800: return B460800;
    case 500000: return B500000;
    case 576000: return B576000;
    case 921600: return B921600;
    case 1000000: return B1000000;
    case 1152000: return B1152000;
    case 1500000: return B1500000;
    case 2000000: return B2000000;
    case 2500000: return B2500000;
    case 3000000: return B3000000;
    case 3500000: return B3500000;
    case 4000000: return B4000000;
    default: return -1;
    }
}
/*
 * Class:     android_serialport_SerialPort
 * Method:    open
* Signature: (Ljava/lang/String;II)Ljava/io/FileDescriptor;
*/
JNIEXPORT jobject JNICALL Java_android_1serialport_1api_SerialPort_open
  (JNIEnv *env, jclass thiz, jstring path, jint baudrate, jint flags)
{
    int fd;
    speed_t speed;
    jobject mFileDescriptor;
    /* Check arguments */
    {
        speed = getBaudrate(baudrate);
        if (speed == -1) {
            /* TODO: throw an exception */
            LOGE("Invalid baudrate");
            return NULL;
        }
    }
    /* Opening device */
    {
        jboolean iscopy;
        const char *path_utf = (*env)->GetStringUTFChars(env, path, &iscopy);
        LOGD("Opening serial port %s with flags 0x%x", path_utf, O_RDWR | flags);
        fd = open(path_utf, O_RDWR | flags);
        LOGD("open() fd = %d", fd);
        (*env)->ReleaseStringUTFChars(env, path, path_utf);
        if (fd == -1)
        {
            /* Throw an exception */
            LOGE("Cannot open port");
            /* TODO: throw an exception */
            return NULL;
        }
    }
    /* Configure device */
    {
        struct termios cfg;
        LOGD("Configuring serial port");
        if (tcgetattr(fd, &cfg))
        {
            LOGE("tcgetattr() failed");
            close(fd);
            /* TODO: throw an exception */
            return NULL;
        }
        cfmakeraw(&cfg);
        cfsetispeed(&cfg, speed);
        cfsetospeed(&cfg, speed);
        //此处设置校验位
        //cfg.c_cflag……
        if (tcsetattr(fd, TCSANOW, &cfg))
        {
            LOGE("tcsetattr() failed");
            close(fd);
            /* TODO: throw an exception */
            return NULL;
        }
    }
    /* Create a corresponding file descriptor */
    {
        jclass cFileDescriptor = (*env)->FindClass(env, "java/io/FileDescriptor");
        jmethodID iFileDescriptor = (*env)->GetMethodID(env, cFileDescriptor, "<init>", "()V");
        jfieldID descriptorID = (*env)->GetFieldID(env, cFileDescriptor, "descriptor", "I");
        mFileDescriptor = (*env)->NewObject(env, cFileDescriptor, iFileDescriptor);
        (*env)->SetIntField(env, mFileDescriptor, descriptorID, (jint)fd);
    }
    return mFileDescriptor;
}
/*
 * Class:     cedric_serial_SerialPort
 * Method:    close
* Signature: ()V
*/
JNIEXPORT void JNICALL Java_android_1serialport_1api_SerialPort_close
  (JNIEnv *env, jobject thiz)
{
    jclass SerialPortClass = (*env)->GetObjectClass(env, thiz);
    jclass FileDescriptorClass = (*env)->FindClass(env, "java/io/FileDescriptor");
    jfieldID mFdID = (*env)->GetFieldID(env, SerialPortClass, "mFd", "Ljava/io/FileDescriptor;");
    jfieldID descriptorID = (*env)->GetFieldID(env, FileDescriptorClass, "descriptor", "I");
    jobject mFd = (*env)->GetObjectField(env, thiz, mFdID);
    jint descriptor = (*env)->GetIntField(env, mFd, descriptorID);
    LOGD("close(fd = %d)", descriptor);
    close(descriptor);
}

最后java在需要的地方调用

    // JNI
    private native static FileDescriptor open(String path, int baudrate, int flags);
    public native void close();
    static {
        Log.i(TAG, "loadLibrary..............");
        System.loadLibrary("serial_port");
    }

串口通讯原理

使用到了linux系统函数，是相对底层的开发，所以一大堆标志位，位运算，看着有些晕，函数的具体使用方法需要查询手册
1、打开串口

fd = open(path_utf, O_RDWR | flags);

其中
O_RDWR 读写方式打开
O_NOCTTY 不允许进程管理串口
O_NDELAY 非阻塞

2、写串口

n = write(fd, "ATZ ", 4);

n实际写入个数

3、设置串口为非阻塞方式

fcntl(fd, F_SETFL, FNDELAY);

4、设置串口为阻塞方式：

fcntl(fd, F_SETFL, 0);

5、读串口：

res = read(fd,buf,len);

6、关闭串口

 Close(fd);

注：示例代码中通过JAVA的FileDescriptor类包装了数据流，所以读写操作是在上层完成的。

    /* Create a corresponding file descriptor */
    {
        jclass cFileDescriptor = (*env)->FindClass(env, "java/io/FileDescriptor");
        jmethodID iFileDescriptor = (*env)->GetMethodID(env, cFileDescriptor, "<init>", "()V");
        jfieldID descriptorID = (*env)->GetFieldID(env, cFileDescriptor, "descriptor", "I");
        mFileDescriptor = (*env)->NewObject(env, cFileDescriptor, iFileDescriptor);
        (*env)->SetIntField(env, mFileDescriptor, descriptorID, (jint)fd);
    }
        return mFileDescriptor;

关于校验位

示例代码默认是没有添加任何校验位的，一般情况设备的基础通讯协议都是
波特率：9600
校验位：无
数据位：8
停止位：1位
至于具体的指令协议，根据设备提供商文档自行写控制代码即可。
校验位设置代码如下：
No parity (8N1):

cfg.c_cflag &= ~PARENB
cfg.c_cflag &= ~CSTOPB
cfg.c_cflag &= ~CSIZE;
cfg.c_cflag |= CS8;

Even parity (7E1):

cfg.c_cflag |= PARENB
cfg.c_cflag &= ~PARODD
cfg.c_cflag &= ~CSTOPB
cfg.c_cflag &= ~CSIZE;
cfg.c_cflag |= CS7;

Odd parity (7O1):

cfg.c_cflag |= PARENB
cfg.c_cflag |= PARODD
cfg.c_cflag &= ~CSTOPB        
cfg.c_cflag &= ~CSIZE;
cfg.c_cflag |= CS7;

Space parity is setup the same as no parity (7S1):

cfg.c_cflag &= ~PARENB
cfg.c_cflag &= ~CSTOPB
cfg.c_cflag &= ~CSIZE;                     
cfg.c_cflag |= CS8;
//cfg.c_cflag |= PARENB | CS8 | CMSPAR;

Mark parity is simulated by using 2 stop bits (7M1):

cfg.c_cflag &= ~PARENB;
cfg.c_cflag |= CSTOPB;
cfg.c_cflag &= ~CSIZE;
cfg.c_cflag |= CS7;
//cfg.c_cflag |= PARENB | CS8 | CMSPAR |PARODD;

1.even 每个字节传送整个过程中bit为1的个数是偶数个（校验位调整个数）
2.odd 每个字节穿送整个过程中bit为1的个数是奇数个（校验位调整个数）
3.noparity没有校验位
4.space 校验位总为0
5.mark 校验位总为1；

HexString与Bytes的转换

默认情况下串口读出来的数据是byte[]，有时候需要转换16进制的字符串进行指令识别

/**
 * Created by lixin(178078114@qq.com) on 2016/12/17.
 */
public class HexUtils {
    /**
     * 把字节数组转换成16进制字符串
     *
     * @param bArray
     * @return
     */
    public static String bytesToHexString(byte[] src) {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder("");
        if (src == null || src.length <= 0) {
            return null;
        }
        for (int i = 0; i < src.length; i++) {
            int v = src[i] & 0xFF;
            String hv = Integer.toHexString(v);
            if (hv.length() < 2) {
                stringBuilder.append(0);
            }
            stringBuilder.append(hv);
        }
        return stringBuilder.toString().toUpperCase();
    }
    /**
     * 把16进制字符串转换成字节数组
     *
     * @param hex
     * @return
     */
    public static byte[] hexStringToByte(String hex) {
        int len = (hex.length() / 2);
        byte[] result = new byte[len];
        char[] achar = hex.toCharArray();
        for (int i = 0; i < len; i++) {
            int pos = i * 2;
            result[i] = (byte) (toByte(achar[pos]) << 4 | toByte(achar[pos + 1]));
        }
        return result;
    }
    private static byte toByte(char c) {
        byte b = (byte) "0123456789ABCDEF".indexOf(c);
        return b;
    }
}

最终的demo如图，选择对了参数和串口设备，即可调试了！

参考

http://gqdy365.iteye.com/blog/2188906
http://wl9739.github.io/2016/09/21/%E5%9C%A8-Android-Studio-2-2-%E4%B8%AD%E6%84%89%E5%BF%AB%E5%9C%B0%E4%BD%BF%E7%94%A8-C-C-md/

demo示例：
链接：http://pan.baidu.com/s/1pLc1JVt 密码：h1zt