串口通信

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基础知识：

1. 什么是串口？

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：

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

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)

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。

2. 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。

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

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。

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);

2. 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）
3. 步骤三:
   设置 c_cflag 中的数据位。

4. 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;

5. 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

6. 步骤六:
   设置停止位，如设置 1 位停止位

newtio.c_cflag &= ~CSTOPB;

7. 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

8. 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。

9. 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); // 10msreturn 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;
}