Linux下的串口通信

串口通信

基础知识：

  1. 什么是串口？

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串口全称串行通信接口，是一种常用于电子设备之间通信的异步，全双工接口，典型的串口通信只需要 3 根线，分别是地线 (GND)，发送线(TX)，接收线(RX)。如下图：

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2.什么是波特率?
串口的通信速率称之为波特率(bandrate)，波特率也可以叫码元速率，定义: 单位时间内通过信道传输的码元个数就是波特率，单位: 波特
在数字信道中，一个脉冲信号就是一个码元,码元速率指的是在 1 秒钟内能发送多少个码元
也就是说在数字信道中 1 秒钟内可以发送多少个脉冲信号

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需要注意的是，串口的波特率并不能随意设置，因为通信的双方必须设置相同的波特率才可
以成功通信。如果双方的波特率设置不一样则不能通信成功。另外波特率的值一般在常用的
里面选择，约定俗成。而特殊的波特率有可能需要额外设置。

  1. 什么是比特率？
    比特率:每秒钟传送的比特数，单位是 bit/s
    比特率和波特率的关系:
    比特率=波特率*log2M，M 表示每个码元承载的信息量。
    M 如何理解?
    一个码元就是一个脉冲信号!一个脉冲信号有可能携带 1bit 数据，也有可能携带 2bit 数据，4bit 数据。在二进制系统中，比特率就等于波特率

问题: 🤚
假如串口的波特率是 9600，在二进制系统中一秒钟可以传送多少个字节。
分析：一个字节等于 8 个 bit，也就是 8 个高低电平。在二进制系统中，比特率就等于波特率所以就是 9600/8=1200 个字节

串口通信的格式

  1. 格式 📌
    串口通信的格式分为两种：标准格式和非标准格式。
    标准格式：起始位(1bit) + 数据位(8bit) + 奇偶校验位(1bit) + 停止位(1bit)

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起始位:数据线上空闲时为 1，拉低代表开始传输数据
数据位:需要发送或者接收的数据。
奇偶校验位:通过对数据中的 1的个数(奇数/偶数) 来校验数据传输是否准确。
停止位:数据传输完成。数据线恢复成 1的状态。

  1. 校验 🖇
    奇校验 (odd parity): 如果数据中有奇数个 1，校验位为 1，否则为 0
    偶校验 (even parity): 如果数据中有偶数个 1，校验位为 1，否则为 0
    0 校验(space parity): 校验位恒为 0，如果为 1表述错误。
    1校验(mark parity):校验位恒为 1，如果为0表示错误

串口的通讯接口

  • 串口只对数据格式有定义，并没有规定接口的电器特性，
  • 如果用高电平代表 1，用低电平代表0，那高电平是多少v呢?低电平又是多少v 呢?所以串口的通信接口类型有很多。
  • 在举个例子:🍐
    如果在串口通信中直接使用处理器引出的接口，电平是 TTL 电平。但是处理器的电平也有可能存在差异，所有某些情况下并不能直接连接。这时就要进行电平转换。
    TTL:transistor transistor logic （我们学习时用的单片机时常常用的TTL电平的，就是那些普通的杜邦线做连接）但是 TTL 的抗干扰能力比较弱，在数据传输的时候很容易出错，所以通信距离也短。往往只用在一个电路板中的俩个不同的芯片通信。既然串口没有规定电器特性，那是不是就可以通过电器特性入手来解决 TTL 的缺点呢?

RS232/协议

RS232 协议是 1970 年美国电子工业协会联合各个厂家共同制定的串行通信标准。这个标准
规定了在串口通信中采用一个标准的连接器，如下图所示，并且在标准中对每个连接器的引
脚和电平也做了规定。

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DB9 引脚说明👆

1脚: 载波检测(DCD)
2脚: 接收数据(RXD)
3 脚: 发出数据(TXD)
4 脚: 数据终端准备好(DTR)
5 脚:信号地线(SG)
6脚: 数据准备好(DSR)
7 脚: 请求发送(RTS)
8 脚: 清除发送(CTS)
9 脚: 振铃指示(RI)

注: Recommand Standard 即 RS，推荐标准
特点：逻辑1的电平为-5v 到-15v，逻辑 0的电平为+5v 到+15v。所以抗干扰能力有所增强。通信距离一般可达 15m。

RS485/协议

RS232 通信速度并不快，而且传输距离也不是很远(15m)，相对于 TTL 电平来说确实提高
了抗干扰性，但是容易产生共模干扰。

RS485 标准是由电信行业协会和电子工业联盟制定。主要是用来解决超远距离(1200m)以
及更好的抗干扰性能。并且 RS485 具有多站能力，可以利用 RS485 组网。

电平特性
RS485 使用差分信号(抗共模干扰能力强) 进行数据传输，俩线之间的电压差为+2v 到+6v
表示逻辑 1，俩线之间的电压差为-2v 到-6v 表示逻辑 0。

差分信号是用俩跟线来描述是 0 还是 1，所以本质虽然也是串口，但是 485 是半双工，在软件编程中多了一个切换接收或者发送的操作，其他同串口编程一样。

串口子系统框架

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使能内核驱动程序

#默认都是开着的
Device Drivers --->
    Character devices --->
        Serial drivers --->
            8250/16550 and compatible serial support

串口驱动8250🏎，8250通用的串口程序，不光在在ARM中使用，在x86中也有使用，是一个非常完善的驱动程序，相当于一个“汽车轮子”，而我们在造车时就不需要再重复造车轮了。

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串口的应用编程

串口不像SPI或IIC的注册流程，不需要在driver层注册驱动，完善控制器的相关结构体和必要的配置信息，而是直接在应用层使用驱动函数即可。

串口的操作流程

了解一下串口的配置结构体： termios 用于控制非同步通信端口。 这个结构包含了至少下列成员：

tcflag_t c_iflag;      /* 输入模式 */
tcflag_t c_oflag;      /* 输出模式 */
tcflag_t c_cflag;      /* 控制模式 */
tcflag_t c_lflag;      /* 本地模式 */
cc_t c_cc[NCCS];       /* 控制字符 */

struct termios
{
unsigned short c_iflag; /* 输入模式标志*/
unsigned short c_oflag; /* 输出模式标志*/
unsigned short c_cflag; /* 控制模式标志*/
unsigned short c_lflag; /*区域模式标志或本地模式标志或局部模式*/
unsigned char c_line; /*行控制line discipline */
unsigned char c_cc[NCC]; /* 控制字符特性*/
};
  1. 步骤一:
    保存原来的串口配置，使用 tcgetattr 函数获取原来的 termio .结构体。
struct termios newtio, oldtio;
tcgetattr(fd, &oldtio);
  1. 步骤二:
    设置 c_cflag，打开 CLOCAL(使能本地连接) 和 CREAD（使能接收） 并清空 CSIZE（数据位）
  2. 步骤三:
    设置 c_cflag 中的数据位。

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  1. 步骤四:
    设置奇偶校验位。
    奇验位:
newtio.c_cflag|= PARENB             //使能奇偶校验
newtio.c_cflag|= PARODD;            //使能奇校验    
newtio.c_iflag|=(INPCK|ISTRIP);

ISTRIP 的作用是在串口接收数据时，自动剥离每个字符的最高位（第八位），以确保接收到的数据在传递给应用程序之前是正确的七位表示形式。
偶验位:

newtio.c_iflag =(INPCK|ISTRIP)
newtio.c_cflag|= PARENB;
newtio.c_cflag &= ~PARODD;      //清零
break;

无校验:

newtio.c cflag &= ~PARENB;

  1. 步骤五:
    设置波特率，使用函数 cfsetispeed，cfsetospeed。注意波特率前需要加 B，如 B9600

  2. 步骤六:
    设置停止位，如设置 1 位停止位

newtio.c_cflag &= ~CSTOPB;
  1. 步骤七:
    刷新输入队列:使用函数 tcflush(fd,TCIFLUSH);

fd 是使用open函数打开文件得到的串口句柄
TCIFLUSH: 刷新输入队列
TCOFLUSH: 刷新输出队列
TCIOFLUSH:刷新输入输出队列

  1. 步骤八:
    使用函数 tcsetattr(fd,TCSANOW, &newtio);设置配置

TCSANOW: 设置立刻生效
TCSADRIN:发送了所有输出以后设置才生效。

  1. 步骤九:
    使用 open 函数打开串口
open("串口节点", O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);

O_RDWR: 读写权限
O_NOCTTY: 表示不占用终端，即这个程序不会成为这个串口的控制终端
O_NDELAY: 表示非阻塞

源Code

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <termios.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#define UART_NAME / dev / ttyS3
int set_uart(int fd, int speed, int bits, char check, int stop)
{
    struct termios newtio, oldtio;
    if (tcgetattr(fd, &oldtio) != 0)
    {
        printf("tcgetattr oldtio is error\n");
        return -1;
    }
    bzero(&newtio, sizeof(newtio));

    newtio.c_cflag |= CLOCAL | CREAD;
    newtio.c_cflag &= ~CSIZE;

    switch (bits)
    {
    case 7:
        newtio.c_cflag |= CS7;
        break;

    case 8:
        newtio.c_cflag |= CS8;
        break;
    }

    switch (check)
    {
    case 'N':
        newtio.c_cflag &= ~PARENB; // 失能
        // newtio.c_iflag &= ~INPCK;  // 不使用
        break;

    case 'E':
        newtio.c_cflag |= PARENB;           // 使能
        newtio.c_cflag &= ~PARODD;          // 使用偶校验
        newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP); // 去除输入字符第八位
        break;

    case 'O':
        newtio.c_cflag |= PARENB;
        newtio.c_cflag |= PARODD;
        newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
        break;
    }

    switch (speed)
    {
    case 9600:
        cfsetispeed(&newtio, B9600);
        cfsetospeed(&newtio, B9600);
        break;
    case 115200:
        cfsetispeed(&newtio, B115200);
        cfsetospeed(&newtio, B115200);
        break;

    default:
        break;
    }

    switch (stop)
    {
    case 1:
        newtio.c_cflag &= ~CSTOPB;
        break;
    case 2:
        newtio.c_cflag |= CSTOPB;
        break;
    }

    tcflush(fd, TCIFLUSH);
    if (tcsetattr(fd, TCSANOW, &newtio) != 0)
    {
        printf("tcsetattr newtio is error\n");
        return -2;
    }
    return 0;
}

int main()
{
    int fd;
    char buf[128];
    int count;
    fd = open("/dev/ttyS3", O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);
    if (fd < 0)
    {
        printf("open error\n");
        return -1;
    }
    set_uart(fd, 115200, 8, 'N', 1);
    while (1)
    {
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        count = read(fd, buf, sizeof(buf));
        // printf("Having a receive\n");
        buf[count] = '\0';
        if (count > 0)
        {
            printf("read data is %s\n", buf);
        }
    }

    return 0;
}

使用多线程方式进行读写

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <termios.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <pthread.h>

int uartOpen(const char *device, const int baud)
{
    struct termios options;
    speed_t myBaud;
    int status, fd;
    switch (baud)
    {
    case 9600:
        myBaud = B9600;
        break;
    case 115200:
        myBaud = B115200;
        break;
    default:
        return -2;
    }

    fd = open(device, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);
    if (fd == -1)
    {
        perror("open");
        return -1;
    }

    fcntl(fd, F_SETFL, O_RDWR); // 设置串口阻塞办法

    // 获取和修改当前选项
    tcgetattr(fd, &options);
    cfmakeraw(&options); // 将终端设置为原始模式8N1无流控

    cfsetispeed(&options, myBaud); // 设置输入波特率
    cfsetospeed(&options, myBaud); // 设置输出波特率

    options.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD); 
    options.c_cflag &= ~PARENB;          

    options.c_cflag &= ~CSTOPB; // 设置1位的停止位

    options.c_cflag &= ~CSIZE; // 用数据位掩码清空设置
    options.c_cflag |= CS8;    // 设置8位的数据位

    tcsetattr(fd, TCSANOW, &options); // 使上面新的设置生效
    usleep(10000); // 10ms
    return fd;
}

int uartfd;

/* 向串口发送数据的线程 */
void *sendDatas()
{
    int cnt;
    char *buffer = (char *)malloc(64);
    while (1)
    {

        memset(buffer, '\0', sizeof(buffer));
        printf("send -> ");
        scanf("%s", buffer);
        /*向串口1对应的设备文件写入buffer的数据*/
        cnt = write(uartfd, buffer, strlen(buffer));
        if (cnt < 0)
            printf("Serial send datas error\n");
    }
}

/* 读取串口数据的线程 */
void *recvDatas()
{
    int cnt, readSize;
    char *buffer = (char *)malloc(64);
    while (1)
    {
        /* 判断串口是否有数据 */
        if (ioctl(uartfd, FIONREAD, &cnt) == -1)
        {
            perror("ioctl");
            return 0;
        }
        else
        {
            readSize = read(uartfd, buffer, cnt); // 读取数据到buffer中
            if (readSize > 0)
                printf("recv -> %s", buffer); // 读取成功再打印
         }
        memset(buffer, '\0', sizeof(buffer));
    }
}
int main(int argc, char **argv)
{

    pthread_t sendThread, recvThread;

    uartfd = uartOpen("/dev/ttyS3", 115200);
    if (uartfd == -1)
    {
        printf(" open error\n");
        return -1;
    }
    else
    {
        printf("open  succeed.\n");
    }
    /* 主函数中定义出两个线程用于接收和发送数据 */
    pthread_create(&sendThread, NULL, sendDatas, NULL);
    pthread_create(&recvThread, NULL, recvDatas, NULL);

    /* 主线程每10秒发送心跳包 */
    while (1)
    {
        char alive[] = "I am alive\r\n";
        write(uartfd, alive, strlen(alive));
        sleep(10);
    }
    return 0;
}

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