python使用PyQt5开发桌面端串口通信

DATCOM 项目成果与核心 API 说明

学习的一个新的技术进行记录分享。

界面展示

• 布局结构

  • 顶部双工具栏：操作栏与主工具栏，分别承载新增、删除、映射、清理虚拟串口、日志查看、退出、搜索等操作。
  • 中心区域：连接列表表格，展示各连接的串口/网络状态、目标地址、实时计数与设备信息。
  • 底部状态栏：版本信息与简要提示，便于发布与定位。

• 交互与状态

  • 新增连接：弹出参数收集对话框（串口号、波特率、协议、IP/端口、设备信息与描述），确认后在表格新增一行。
  • 状态展示：串口与网络各自有状态字段（已就绪/已连接/未连接/失败），计数（接收/发送字节）实时累加。
  • 搜索过滤：在主工具栏输入关键字，表格实时过滤匹配行。
  • 日志查看：内置日志查看器，支持滚动与周期刷新。
  • 端口监控：定时轮询虚拟/物理端口占用情况，便于现场排查与清理。
    
    

项目概述

• 桌面应用，面向串口数据采集与按 TCP/UDP 的实时转发
• 支持虚拟串口配对与物理端口映射，内置日志查看与端口占用监控
• 可一键打包为可执行文件，便于现场部署

成果亮点

• 多连接管理：在一个界面下新增、删除与编辑多个串口到网络的桥接
• 可靠转发：UDP 即发、TCP自动重连，统一队列保证发送顺序与统计准确
• 可观测性：实时状态（串口/网络）与计数（接收/发送），滚动日志随时查看
• 虚拟串口能力：创建/删除端口对、接线仿真与严格波特率、总线状态查询
• 现场友好：端口占用监控、清理虚拟串口、搜索过滤、版本信息展示

典型使用场景

• 将设备串口数据桥接到测试服务器，支持内网/外网联调
• 在无真实双串口设备时，使用虚拟串口配对进行数据链路验证
• 批量接入多个设备，统一转发到不同 IP 与端口

架构与模块

• 桥接控制：将“串口采集线程”与“网络发送线程”进行桥接，并维护计数与状态分发
• UI 装配：双层工具栏 + 连接表格 + 状态栏，提供新增/删除/映射/清理/搜索等操作
• 驱动封装：对虚拟串口 SDK 的统一封装，兼容不同系统架构（x86/x64）
• 日志与监控：滚动日志文件 + 内置查看器；定时器监控虚拟/物理端口占用

技术介绍

• 技术选型

  • 桌面框架：采用PyQt5提供成熟窗口与控件体系，利于快速构建稳定桌面 UI。
  • 串口通信：使用pyserial进行跨平台串口访问，支持常见参数与非阻塞读取。
  • 网络传输：基于标准socket实现TCP/UDP，便于控制连接、超时与重试策略。
  • 打包交付：使用PyInstaller将项目打包为单文件可执行，整合图标与资源。

• 并发与线程模型

  • 采用QThread + 信号/槽：串口读取与网络发送各在线程中运行，通过信号上报状态与数据，避免 GUI 阻塞与竞态。
  • 放弃asyncio的原因：在串口与 GUI 的结合场景下，QThread更易与事件系统融合，且便于与第三方 DLL 协作。
  • 发送队列与背压：统一以队列承载待发送数据，TCP 建连失败时退避重试，UDP 即发确保低延迟。

• 稳定性与错误处理

  • 自动重连：TCP 连接失败进入退避重试；串口异常短暂休眠后重试打开。
  • 统一日志：未处理异常通过excepthook写入滚动日志文件；按大小切分并保留备份。
  • 资源管理：停止时关闭串口与网络句柄，状态统一回传为“未连接”，避免悬挂与句柄泄漏。

• 虚拟串口（VSPD）集成

  • DLL 封装：对vspdctl.dll的导出函数进行封装，提供创建/删除端口对、严格波特率仿真、接线映射、总线查询与访问控制。
  • 架构适配：当运行环境与 DLL 架构不匹配时，自动启动 32 位代理进程，通过简单 JSON-RPC 实现进程间调用，确保在 x86/x64 上都可工作。
  • 安装与权限：提供安装程序调用支持（管理员权限），便于现场快速部署虚拟串口驱动。

• 性能与可观测性

  • 非阻塞 IO 与固定缓冲：串口读取固定缓冲大小，减少频繁分配；网络发送按批量进行。
  • UI 最小更新：计数与状态的 UI 更新节制触发，确保在高频数据下界面流畅。
  • 内置日志查看器：每秒刷新并自动滚动，支持现场快速定位问题。

核心 API 能力

• 串口采集
  • 功能：打开串口，非阻塞读取，持续产出数据流；状态变更事件（就绪/未连接/失败）
  • 关键参数：串口号、波特率、校验位、数据位、停止位、读取缓冲大小
  • 行为特性：自动重连、异常退避、资源关闭与状态回传
• 网络转发
  • 功能：支持 UDP 即发与 TCP 建连重试，内部队列化发送；连接与发送状态事件
  • 关键参数：协议类型（TCP/UDP）、目标 IP、目标端口、连接超时与重试策略
  • 行为特性：TCP 失败自动重试、UDP 无连接即发、发送成功计数上报
• 数据桥接
  • 功能：串口数据进入桥接层后转发到网络（与可选物理串口写出），并维护接收/发送累计计数
  • 关键能力：是否可发送判断（网络就绪）、多目标输出（网络 + 物理）、按行索引更新 UI 统计
  • 行为特性：线程安全的事件分发、统一异常处理、轻量耦合 UI 更新
• 虚拟串口驱动
  • 功能：创建/删除虚拟端口对、查询总线状态、设置波特率仿真与接线映射、访问白名单
  • 关键参数：端口名、严格仿真开关、接线映射（DTR/RTS 等）、查询缓冲大小
  • 行为特性：封装 DLL 接口并自动选择代理进程（在架构不匹配时），统一错误处理与返回值
• 日志与端口监控
  • 功能：滚动日志文件（自动切分与保留）、内置日志查看器（定时刷新与跟随滚动）
  • 关键参数：日志目录、文件大小与备份数、刷新周期
  • 行为特性：未处理异常统一写入日志，查看器只读与轻量刷新；端口占用周期性轮询
• UI 交互
  • 功能：新增/删除连接、映射物理端口、清理虚拟串口、查看日志、退出与搜索过滤
  • 行为特性：所有操作产生统一事件，桥接层按行索引更新表格状态与计数

用户操作流程

• 打开应用后，通过工具栏点击“新增”，填写串口与网络参数（协议、IP、端口等）
• 确认后，列表新增一行，显示串口与网络的状态、接收/发送字节数
• 如需模拟设备或桥接到本机测试工具，可通过“映射物理端口/清理虚拟串口”进行管理
• 遇到异常时，打开“运行日志”，定位连接失败、重试与发送统计等信息

性能与稳定性策略

• 串口非阻塞读取 + 队列化发送，避免界面阻塞
• TCP 建连失败退避重试，UDP 即发确保低延迟
• 统一异常捕获与日志落地，便于回溯与现场排查
• 资源生命周期清晰：停止时关闭串口与网络对象，状态统一回传

部署与交付

• 依赖简单：Python 环境与基础库
• 支持一键打包为单文件应用，便于在测试产线或客户现场快速落地
• 可选捆绑虚拟串口驱动安装包（含多平台与架构变体）

可扩展性

• 配置持久化（JSON/INI）、批量操作与多选、图标与版本资源、错误提示与重试策略可调
• 未来可增加带宽与丢包统计、断点续传策略、TLS 加密与访问控制

总结

• 核心定位是“多连接串口采集 + 可靠网络转发 + 虚拟串口能力”的桌面工具
• 通过清晰的桥接与事件模型，实现可观测、可维护、易扩展的工程落地
• 面向分享与展示，我们仅呈现成果与 API 能力，保留源码细节以便后续商业或内部使用

核心 API

以下仅展示少量关键接口片段，帮助理解能力边界与调用方式。

• 串口采集线程

classSerialWorker(QThread):bytes_received=pyqtSignal(bytes)status_changed=pyqtSignal(str)defrun(self):whileself._running:ifself._serisNoneornotself._ser.is_open:self._ser=serial.Serial(self.port,self.baudrate,timeout=0.1)self.status_changed.emit("已就绪")data=self._ser.read(4096)ifdata:self.bytes_received.emit(data)

• 网络发送线程

classSocketClient(QThread):status_changed=pyqtSignal(str)bytes_sent=pyqtSignal(int)defrun(self):whileself._running:ifself._sockisNone:ifself.protocol=="UDP":self._sock=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)self.status_changed.emit("已就绪")else:self._sock=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)self._sock.settimeout(3)self.status_changed.emit("连接中...")self._sock.connect((self.host,self.port_remote))self.status_changed.emit("已连接")data=self._q.get(timeout=0.2)ifself.protocol=="UDP":self._sock.sendto(data,(self.host,self.port_remote))self.bytes_sent.emit(len(data))else:self._sock.sendall(data)self.bytes_sent.emit(len(data))

• 数据桥接与计数

defon_serial_data(self,data:bytes):self.serial_rx+=len(data)self.signals.counters_changed.emit(self._row_index(),self.serial_rx,self.net_tx)ifself.net.can_send():self.net.send(data)ifself.phys_outandself.phys_out.can_send():self.phys_out.send(data)

• 虚拟串口驱动接口

driver=VSPDDriver()driver.create_pair("COM5","COM6")driver.set_strict_baudrate("COM5",True)driver.delete_pair("COM5")