VspdCh340.Lib 1.2.2

VspdCh340.Lib - 虚拟串口数据转发类库

基于 com0com 驱动和 TLV 帧结构的多路串口数据转发系统。实现 CH340 USB 主串口与 12 个子虚拟串口（CNCB81-CNCB92）之间的双向数据透明传输。

功能特性

核心功能

• 多路串口管理：同时管理 12 路虚拟串口（CNCB81-CNCB92）和 1 路 CH340 USB 主串口
• 双向数据转发：支持从子串口到主串口，以及主串口到子串口的双向数据传输
• 自动驱动安装：自动检测并安装 com0com 虚拟串口驱动，无需手动配置
• 端口配置验证：安装前自动验证端口配置，避免重复安装
• CH340 自动识别：通过特征匹配自动检测 CH340 USB 转串口设备
• NuGet 包支持：封装为标准 NuGet 包，包含 MSBuild targets 自动部署驱动文件

数据链路层特性

• TLV 帧结构：采用 SOF + TYPE + ADDR + LEN + DATA + CRC16 的 TLV 帧格式
• 滑动窗口重同步：帧起始符（0xAA）自动定位，支持抗粘包/分段/干扰
• CRC16-Modbus 校验：2 字节 CRC 校验确保数据完整性
• 数据合并发送：支持超时合并和长度阈值合并，减少数据包数量

性能优化

• 独立线程监听：每个串口分配独立监听线程，避免线程池资源竞争
• 非阻塞 I/O：使用 RJCP.SerialPortStream 高性能串口库
• 超时控制：50ms 读取超时，支持灵活的超时策略
• 缓存队列保护：CDC 接收使用 8192 字节 FIFO 缓冲，防止数据丢失

可靠性保障

• 线程安全设计：使用 Volatile.Read/Write 和 ManualResetEventSlim 实现线程安全
• 活动状态监测：通过 Stopwatch 监测 CDC 读写活动状态（200ms 超时判定）
• 热插拔支持：驱动安装支持热插拔，无需重启系统
• 自动重连：CDC 串口断开后自动重试扫描和重连

系统要求

• Windows 10 / Windows 11 操作系统
• .NET 10.0 或更高版本
• CH340 USB 转串口设备（硬件模式）
• 管理员权限（驱动安装必需）

安装和引用

方式 1：通过 NuGet 包管理器安装

<PackageReference Include="VspdCh340.Lib" Version="1.1.0" />

方式 2：项目引用

<ItemGroup>
  <ProjectReference Include="..\VspdCh340Lib\VspdCh340Lib.csproj" />
</ItemGroup>

自动部署功能

本 NuGet 包包含 VspdCh340.Lib.targets 文件，会在构建和发布时自动将 com0com 驱动文件复制到输出目录的 com0com 子文件夹中。VspdManager.Com0ComInstall() 方法可直接使用这些文件，无需额外配置。

基础用法

using VspdCh340.Lib;

var manager = new VspdManager();
manager.Start(Com0ComMode: true);

// 向 USB 主串口写入数据 (源端口 81, 数据)
manager.WritePack(81, data);

// 从指定端口读取数据 (超时 200ms)
var received = manager.ReadPack(81, 200);

manager.Stop();

核心 API

VspdManager

ModbusRtu

Modbus RTU 协议封装类，支持通过 VspdManager 完成 Modbus 寄存器数据的收发。

参数说明：

• port: 硬件串口号，有效范围 81-92
• id: Modbus 从站地址，范围 1-247（0 为广播写）
• addr: 寄存器起始地址
• qty: 读取/写入数量（读寄存器：1-125；写多寄存器：1-123）
• value/values: 要写入的寄存器值
• timeout: 等待响应的超时时间（毫秒），默认 300

MbResult 返回值：

使用示例：

using VspdCh340.Lib;

var manager = new VspdManager();
manager.Start(Com0ComMode: true);

var modbus = new ModbusRtu(manager);

// 读取保持寄存器 (端口81, 地址0, 数量10)
var result = modbus.ReadHoldingRegisters(81, 1, 0, 10);
if (result.Success)
{
    foreach (var reg in result.Registers)
        Console.WriteLine($"寄存器值: {reg}");
}

// 写入单个寄存器
var writeResult = modbus.WriteRegister(81, 1, 0, 0x1234);
if (writeResult.Success)
    Console.WriteLine("写入成功");

manager.Stop();

帧结构说明

本类库采用带起始符、不转义、纯字节流、滑动窗口重同步的帧结构设计，适配串口通信的抗粘包/分段/干扰需求。

帧格式

┌──────┬──────┬──────┬──────┬──────────┬────────┐
│ SOF  │ TYPE │ ADDR │ LEN  │  DATA[]  │  CRC16 │
│ 1B   │ 1B   │ 1B   │ 1B   │ 0–240B   │  2B    │
└──────┴──────┴──────┴──────┴──────────┴────────┘

帧顺序：AA + TYPE + ADDR + LEN + DATA(≤240) + CRC16

字段语义

TLV 数据结构：本帧数据部分格式遵循CCITT（现 ITU-T）组织的 TLV（Type-Length-Value）编码原则。理论上ADDR应该在TYPE之前，但是为了与之前通信协议更好兼容，TYPE和ADDR保持当前位置。

设计要点

本设计依赖四条防线保证可靠性：

1. SOF 起始符：固定 0xAA 作为帧同步标识，快速定位帧头
2. LEN 硬截断：单帧数据最多 240B，不会"跑飞"
3. ADDR 范围限制：仅 0x01–0xEF 有效，天然过滤非法帧
4. CRC16 校验：覆盖整个帧内容，检测数据损坏

OSI 模型层次分析

本帧结构在国际标准化组织（ISO）的 OSI 七层模型中跨越多个层次，实现了从物理传输到应用协议的完整封装：

各层详细说明

1. 物理层 (Physical Layer)

• 介质：RS-485 半双工 / RS-232 全双工 / 虚拟串口
• 波特率：可配置（典型 9600/19200/115200）
• 硬件：com0com 虚拟串口或物理串口适配器

2. 数据链路层 (Data Link Layer)

• 帧同步：0xAA 起始符快速定位帧边界
• 数据长度：通过 LEN 字段计算帧总长度
• 错误检测：CRC16-Modbus 覆盖完整帧
• 滑动重同步：逐字节试探，失败仅丢弃 1 字节

3. 网络层 (Network Layer)

• 单播：ADDR 0x01–0xEF（最多 239 个从机节点）
• 广播：ADDR 0x00（所有节点接收处理）
• 预留：ADDR 0xF0–0xFF（协议扩展、心跳、Bootloader）

4. 传输层 (Transport Layer)

• 数据分发：根据 TLV 的 TYPE 字段将 DATA 分发到不同的业务处理模块
• 长度限制：DATA 最大 240B，防止单帧过大

6. 表示层 (Presentation Layer)

• XOR 转码：数据载荷使用固定密钥 0x3E 进行简单的 XOR 加密/解密
• 加密方向：
  • 发送时：原始数据 → XOR 0x3E → 传输
  • 接收时：传输数据 → XOR 0x3E → 原始数据
• 特点：相同的密钥用于加密和解密，转码可逆

7. 应用层 (Application Layer)

• 采用 TLV（Type-Length-Value）编码原则
• 根据 L = LEN、V = DATA 进行数据载荷的处理

层次交互流程

应用层数据
    ↓ (TLV 编码的载荷)
表示层 XOR 0x3E 加密
    ↓ (转码处理)
传输层分段/TYPE重组
    ↓ (长度控制)
网络层寻址
    ↓ (ADDR 路由)
数据链路层帧封装
    ↓ (SOF + CRC)
物理层电信号传输
    ↓ (RS-485 差分信号)
物理层电信号接收
    ↓ (位同步)
数据链路层帧解封装 + CRC 校验
    ↓ (滑动重同步)
网络层地址过滤
    ↓ (ADDR 匹配)
传输层数据合并
    ↓ (TYPE匹配)
表示层 XOR 0x3E 解密
    ↓ (转码还原)
应用层数据

接收/重同步逻辑

采用 5 态状态机实现逐字节滑动重同步：

IDLE → GOT_SOF → GOT_TYPE → GOT_ADDR → GOT_LEN → GOT_DATA ──┐
   ↑                                                        │ CRC OK
   └────────────────────────────────── CRC FAIL / LEN 超界 ──┘

逐字节滑动重同步要点

抗干扰设计

优劣分析

使用方法

1. 引用 VspdCh340.Lib 类库
2. 创建 VspdManager 实例并调用 Start(Com0ComMode: true) 启动
3. 如需虚拟串口模式，类库会自动检测并安装 com0com 驱动
4. 通过 WritePack() / ReadPack() 方法进行数据收发

虚拟串口配置

应用程序创建以下虚拟串口对，使用 PlugInMode 和 HiddenMode 优化配置：

帧结构本应用中的实现说明

TYPE 字段（0xDF）：标识 COM 端口转发协议，便于多协议混合场景识别。

ADDR 字段：直接映射到监听的 12 个虚拟串口（CNCB81-CNCB92），值为 81-92。

帧格式示例

当从 CNCB81（ADDR=81）收到 3 字节数据 0x11 0x22 0x33 时，转发到 USB 主串口的帧为：

AA DF 51 03 11 22 33 [CRC低字节] [CRC高字节]
↑  ↑  ↑  ↑  └─数据─┘
│  │  │  └── LEN=3
│  │  └── ADDR=81 (CNCB81)
│  └── TYPE=0xDF (COM转发协议)
└── SOF=0xAA

核心类说明

数据流向

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│              子串口 → USB 主串口 (Write 路径)                     │
│                                                                 │
│  CNCB81-CNCB92 → 独立监听线程 → 数据合并 → TLV 帧封装            │
│                                                          ↓       │
│                                              CH340 USB 主串口    │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│              USB 主串口 → 子串口 (Read 路径)                     │
│                                                                 │
│  CH340 USB 主串口 → FIFO 缓冲队列 → 帧解析 + CRC 校验            │
│                                                          ↓       │
│                                              CNCB81-CNCB92      │
│                                                    ↓            │
│                                          数据载荷分发到目标端口   │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

技术栈

• 目标框架: net10.0-windows
• 语言: C# (latest)
• 虚拟串口驱动: com0com
• 串口通信库: RJCP.SerialPortStream (子串口), UartCtl (CH340 USB)
• CRC 校验: CRC16-Modbus
• 依赖项:
  • RJCP.SerialPortStream 3.0.5
  • UartCtl 4.0.0

串口库选择说明

本项目舍弃了 .NET 自带的 System.IO.Ports.SerialPort 库，主要原因是：

• 无法打开特殊名称的串口：System.IO.Ports 对串口名称有严格限制，无法正确识别和打开 CNCB81-CNCB92 这类特殊命名的虚拟串口
• 兼容性问题：System.IO.Ports 在处理 com0com 创建的虚拟串口时存在兼容性问题

许可证

本项目使用 MIT 许可证。

注意：本项目包含 com0com 驱动，该驱动采用 GPL 许可证分发。详见 com0com 许可证。

免责声明

本应用程序会安装设备驱动并修改系统设置。请自行承担使用风险。运行前建议备份系统。