linux c串口通信详解RS-232

Bertha 。 2023-01-14 05:54 584阅读 0赞

*  # **UART****、RS232的区别** #

UART是通用异步收发器Universal Asynchronous Receiver/Transmitter（异步串行通信口）的英文缩写，它包括了[RS232][]、[RS449][]、[RS423][]、[RS422][]和[RS485][]等接口标准规范和总线标准规范，即UART是异步串行通信口的总称。而RS232、RS449、RS423、RS422和RS485等，是对应各种异步串行通信口的接口标准和总线标准，它规定了通信口的电气特性、传输速率、连接特性和接口的机械特性等内容。

UART是一个并行输入成为串行输出的芯片，通常集成在主板上。UART包含TTL电平的[串口][Link 1]和[RS232][RS232 1]电平的串口。

![20210421094537184.png][]![20210421094555239.png][]

*  # **TTL****、RS232区别** #

一般来说，由芯片引脚直接引出的一般是 TTL 电平；而中间接有转换芯片的可能就是 RS232 电平。

TTL为正逻辑电平，也就是高电压为正：

*  输出电路：电压大于等于（≥）2.4V为逻辑1；电压小于等于（≤）0.4V为逻辑0；
 *  输入电路：电压大于等于（≥）2.0V为逻辑1；电压小于等于（≤）0.8V为逻辑0；

RS232为负逻辑电平，也就是低电压为正：

*  \-15V ~ -3V代表逻辑"1"，+3V ~ +15V代表逻辑"0"；

可见，TTL 电平和 RS232 电平，无论是在电压范围还是在极性(RS232负逻辑电平)上都是不同的，因此，这两种电平接口是不能直接相连通信的。  
为了把 MCU 的 TTL 电平转换成 RS232电平，通常我们需要一个专门的转换芯片，比如 TI 的 MAX3232。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3N1bmtlemhlbg_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

COM是PC（个人计算机）上，异步串行通信口的简写。由于历史原因，IBM的PC外部接口配置为RS232，成为实际上的PC界默认标准。所以，现在PC机的COM均为RS232。若配有多个异步串行通信口，则分别称为COM1、COM2... 。

*  # **通信协议** #

UART作为异步[串口通信协议][Link 2]的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。

其中各位的意义如下：

起始位：先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输字符的开始。

数据位：紧接着起始位之后。资料位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。

[奇偶校验位][Link 3]：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数([奇校验][Link 4])，以此来校验资料传送的正确性。

停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。 由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台[设备间][Link 5]出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正[时钟同步][Link 6]的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是[数据传输率][Link 7]同时也越慢。

空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资料传送。

[波特率][Link 8]：串口异步通讯中由于没有时钟信号，所以通讯双方需要约定好波特率，即每个码元的长度，以便对信号进行解码。常见的波特率有4800、9600、115200等。

*  # **硬件接口** #

最简单的RS232通信由三条数据线组成，即 TxD、RxD 和GND，全双工通信，即可以同时收发数据。最常见的接口就是pc机上的DB-9 COM口（公头）。线序如下：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3N1bmtlemhlbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

两个串口设备要实现通信，需要将2脚、3脚交叉相连，5脚对接；即设备A的2脚接B的3脚，A的3脚接B的2脚。

*  # **软件开发步骤** #

无论什么系统的下开发步骤都是一样的，目前以linux C为例讲解软件开发步骤及代码实现。步骤依次如下：

打开串口，设置波特率、数据位、校验位、停止位等参数，发送数据，接收数据，关闭串口。

*  打开串口

int UART_Open(char *port)
    {
        int fd;
        fd = open(port, O_RDWR | O_NOCTTY);
        if (FALSE == fd)
        {
            perror("Can't Open Serial Port");
            return (FALSE);
        }
    
        if (0 == isatty(fd))
        {
            printf("standard input is not a terminal device\n");
            return (FALSE);
        }
    
        return fd;
    }

串口打开类似文件操作，“Linux 一切皆文件”；对于串口的打开操作，必须使用 O\_NOCTTY 参数 它表示打开的是一个终端设备，程序不会成为该端口的控制终端。如果不使用此标志，任务的一个输入(比如键盘终止信号等)都会影响进程。

上面打开串口是以阻塞方式打开，如果非阻塞可以或上 O\_NDELAY 或 O\_NONBLOCK 参数；这两者都是非阻塞，但返回值有些许不同；阻塞非阻塞会影响数据的读取和发送，后面会讲到。

isatty(fd)是判断文件代表是否为终端设备，是返回1，否返回0；注意：网上部分代码传的参数是”STDIN\_FILENO“，（标准输入的文件描述符），显然是不对的。当然不加这个判断也没有问题的，只是异常判断一下而已，保证串口操作时，是个终端设备。

*    
    
 *  设置波特率、数据位、校验位、停止位等

int UART_Set(int fd, int speed, int flow_ctrl, int databits, int stopbits, int parity)
    {
    
        int i;
        int speed_arr[] = {B115200, B38400, B19200, B9600, B4800, B2400, B1200, B300};
        int name_arr[] = {115200, 38400, 19200, 9600, 4800, 2400, 1200, 300};
        struct termios options, old_options;
    
        /*tcgetattr(fd,&options)得到与fd指向对象的相关参数，并将它们保存于options,该函数,还可以测试配置是否正确，该串口是否可用等。若调用成功，函数返回值为0，若调用失败，函数返回值为1.
        */
        if (tcgetattr(fd, &old_options) != 0)
        {
            perror("SetupSerial 1");
            return (FALSE);
        }
        memset(&options, 0, sizeof(options)); //清除参数
        //设置串口输入波特率和输出波特率
        for (i = 0; i < sizeof(speed_arr) / sizeof(int); i++)
        {
            if (speed == name_arr[i])
            {
                cfsetispeed(&options, speed_arr[i]);
                cfsetospeed(&options, speed_arr[i]);
            }
        }
        //修改控制模式，保证程序不会占用串口
        options.c_cflag |= CLOCAL;
        //修改控制模式，使得能够从串口中读取输入数据
        options.c_cflag |= CREAD;
        //设置数据流控制
        switch (flow_ctrl)
        {
        case 0: //不使用流控制
            options.c_cflag &= ~CRTSCTS;
            break;
        case 1: //使用硬件流控制
            options.c_cflag |= CRTSCTS;
            break;
        case 2: //使用软件流控制
            options.c_cflag |= IXON | IXOFF | IXANY;
            break;
        }
        //设置数据位
        options.c_cflag &= ~CSIZE; //屏蔽其他标志位 设置数据位之前一定要屏蔽
        switch (databits)
        {
        case 5:
            options.c_cflag |= CS5;
            break;
        case 6:
            options.c_cflag |= CS6;
            break;
        case 7:
            options.c_cflag |= CS7;
            break;
        case 8:
            options.c_cflag |= CS8;
            break;
        default:
            fprintf(stderr, "Unsupported data size\n");
            return (FALSE);
        }
        //设置校验位
        switch (parity)
        {
        case 'n':
        case 'N': //无奇偶校验位。
            options.c_cflag &= ~PARENB;
            options.c_iflag &= ~INPCK;
            break;
        case 'o':
        case 'O': //设置为奇校验
            options.c_cflag |= (PARODD | PARENB);
            options.c_iflag |= INPCK;
            break;
        case 'e':
        case 'E': //设置为偶校验
            options.c_cflag |= PARENB;
            options.c_cflag &= ~PARODD;
            options.c_iflag |= INPCK;
            break;
        case 's':
        case 'S': //设置为空格
            options.c_cflag &= ~PARENB;
            options.c_cflag &= ~CSTOPB;
            break;
        default:
            fprintf(stderr, "Unsupported parity\n");
            return (FALSE);
        }
        // 设置停止位
        switch (stopbits)
        {
        case 1:
            options.c_cflag &= ~CSTOPB;
            break;
        case 2:
            options.c_cflag |= CSTOPB;
            break;
        default:
            fprintf(stderr, "Unsupported stop bits\n");
            return (FALSE);
        }
        //修改输出模式，原始数据输出
        options.c_oflag &= ~OPOST;
    
        //设置等待时间和最小接收字符
        options.c_cc[VTIME] = 1;// 单位是百毫秒
        options.c_cc[VMIN] = 255;
    
        //如果发生数据溢出，接收数据，但是不再读取
        tcflush(fd, TCIFLUSH);
    
        //激活配置 (将修改后的termios数据设置到串口中）
        if (tcsetattr(fd, TCSANOW, &options) != 0)
        {
            perror("com set error!/n");
            return (FALSE);
        }
        return (TRUE);
    }

VTIME、VMIN 只有当串口未设置 O\_NONBLOCK 或 O\_NDELAY 的情况下有效，及阻塞模式；两个值设置说明如下：

MIN = 0, TIME = 0时:read立即返回,如果有待处理的字符,它们就会被返回,如果没有,read调用返回0,且不读取任何字符，（类似非阻塞模式）  
MIN = 0, TIME > 0时:有字符处理或经过TIME个0.1秒后返回  
MIN > 0, TIME = 0时:read一直等待,直到有ＭＩＮ个字符可以读取,返回值是字符的数量.到达文件尾时返回0  
MIN > 0, TIME > 0时:read调用时,它会等待接收一个字符.在接收到第一个字符及其后续的每个字符后,启用一个字符间隔定时器.当有ＭＩＮ个字符可读或两字符间的时间间隔超进TIME个0.1秒时,read返回  
VTIME单位时百毫秒；

*  发送数据

int UART_Send(int fd, u8 *send_buf, u16 data_len)
    {
        int ret;
    
        ret = write(fd, send_buf, data_len);
        if (data_len == ret)
        {
            return ret;
        }
        else
        {
            tcflush(fd, TCOFLUSH);
            return FALSE;
        }
    }

发送数据直接调用write函数即可，成功返回数据长度，失败返回0，阻塞非阻塞时基本不受影响，代码处理一样，只是阻塞模式要等数据发送完成后才返回。

*  接收数据

int UART_Recv(int fd, u8 *rcv_buf, u16 data_len)
    {
        u16 len = 0;
        u8 tmp_buf[1024] = {0};
        int ret;
        while(1)
        {
            ret = read(fd, &tmp_buf[len], 255);
            if(ret > 0)
            {
                print_err("rcv_buf:", &tmp_buf[len], ret);
                len += ret;
                if(len >= 512)
                {
                    memcpy(rcv_buf, tmp_buf, 512);
                    return 512;
                }
            }
            else
            {
                 memcpy(rcv_buf, tmp_buf, len);
                 return len;
            }        
        }
        
    }

上面代码时针对非阻塞模式下的读取处理：循环读串口直至串口无数据或者长度大于512时返回；具体代码实现要根据阻塞、非阻塞模式以及业务需求来处理。

*  关闭串口

void UART_Close(int fd)
    {
        close(fd);
    }

*  主程序代码逻辑如下：

int main(int argc, char **argv)
    {
        int fd = FALSE;
        u16 ret, len;
        unsigned char rcv_buf[512];
        int i,j;
    
        fd = UART_Open("/dev/ttyUSB0");
        if (FALSE == fd)
        {
            printf("open error\n");
            exit(1);
        }
        ret = UART_Init(fd, 9600, 0, 8, 1, 'N');
        if (FALSE == fd)
        {
            printf("Set Port Error\n");
            exit(1);
        }
    
        ret = UART_Send(fd, "hello!", 6);
        if (FALSE == ret)
        {
            printf("write error!\n");
            exit(1);
        }
        
        while(1)
        {
            memset(rcv_buf, 0, sizeof(rcv_buf));
            ret = UART_Recv(fd, rcv_buf, 512);
            if(ret>0)
            {
                print_err("rcv_buf1:", rcv_buf, ret);
            }
            else
            {
                printf("超时ret=%d\n", ret);
            }
            sleep(1);
        }
        UART_Close(fd);
        return 0;
    }

以上作为自己最近串口项目的一个学习笔记，以备查阅。

[RS232]: https://link.zhihu.com/?target=https%3A//zh.wikipedia.org/wiki/RS232
[RS449]: https://link.zhihu.com/?target=https%3A//zh.wikipedia.org/w/index.php%3Ftitle%3DRS449%26action%3Dedit%26redlink%3D1
[RS423]: https://link.zhihu.com/?target=https%3A//zh.wikipedia.org/w/index.php%3Ftitle%3DRS423%26action%3Dedit%26redlink%3D1
[RS422]: https://link.zhihu.com/?target=https%3A//zh.wikipedia.org/w/index.php%3Ftitle%3DRS422%26action%3Dedit%26redlink%3D1
[RS485]: https://link.zhihu.com/?target=https%3A//zh.wikipedia.org/wiki/RS485
[Link 1]: https://baike.baidu.com/item/%E4%B8%B2%E5%8F%A3
[RS232 1]: https://baike.baidu.com/item/RS232
[20210421094537184.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210421094537184.png
[20210421094555239.png]: /images/20221022/616809d44d124825ae81284e324217bb.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3N1bmtlemhlbg_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221022/d67ca5089f094ed0ad13806d2501ad43.png
[Link 2]: https://baike.baidu.com/item/%E4%B8%B2%E5%8F%A3%E9%80%9A%E4%BF%A1%E5%8D%8F%E8%AE%AE
[Link 3]: https://baike.baidu.com/item/%E5%A5%87%E5%81%B6%E6%A0%A1%E9%AA%8C%E4%BD%8D
[Link 4]: https://baike.baidu.com/item/%E5%A5%87%E6%A0%A1%E9%AA%8C
[Link 5]: https://baike.baidu.com/item/%E8%AE%BE%E5%A4%87%E9%97%B4
[Link 6]: https://baike.baidu.com/item/%E6%97%B6%E9%92%9F%E5%90%8C%E6%AD%A5
[Link 7]: https://baike.baidu.com/item/%E6%95%B0%E6%8D%AE%E4%BC%A0%E8%BE%93%E7%8E%87/603683
[Link 8]: https://baike.baidu.com/item/%E6%B3%A2%E7%89%B9%E7%8E%87/2153185
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3N1bmtlemhlbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221022/a0c22c2adfa447ebb112fd16a8717e51.png