Linux串口编程

[!Note] 本篇文档旨在让大家理解FlyThings项目串口部分的代码是如何从零到有的这个过程,从而更容易理解我们最终提供的串口部分代码流程。
理解之后,您可以根据自己的需求任意修改源代码。

该产品基于Linux系统,所以我们可以完全沿用标准Linux编程来操作串口。

基本步骤

我将Linux串口编程分为以下5个步骤:打开串口配置串口读串口写串口关闭串口

  1. 打开串口

     #include <fcntl.h>
    
     int fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY);
    

    open是系统函数,负责打开某个节点
    以上代码表示:以可读可写的方式,尝试打开/dev/ttyS0这个串口,如果打开成功,返回一个非负值,这个值表示串口描述符,若失败,返回一个负数,即错误码。
    /dev/ttyS0 可以理解为串口号,类似Windows系统上的COM1

  2. 配置串口
    成功打开串口后,还需要配置串口,设置波特率等参数。

    int openUart() {
       int fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY);
       struct termios oldtio = { 0 };
       struct termios newtio = { 0 };
       tcgetattr(fd, &oldtio);
       //设置波特率为115200
       newtio.c_cflag = B115200 | CS8 | CLOCAL | CREAD;
       newtio.c_iflag = 0; // IGNPAR | ICRNL
       newtio.c_oflag = 0;
       newtio.c_lflag = 0; // ICANON
       newtio.c_cc[VTIME] = 0;
       newtio.c_cc[VMIN] = 1;
       tcflush(fd, TCIOFLUSH);
       tcsetattr(fd, TCSANOW, &newtio);
    
       //设置为非阻塞模式,这个在读串口的时候会用到
       fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
       return fd;
    }
    

    [!Note] 以上是本平台的默认串口配置,8个数据位,1个停止位,无校验。非特殊需求请勿修改,
    受限于硬件与驱动,如果修改其为其他配置,可能会无效。

  3. 读串口

    #include <fcntl.h>
    
    unsigned char buffer[1024] = {0};
    int ret = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    

    read是系统函数,它提供了读串口的功能,该函数需要三个参数:

    • 第一个参数 是串口描述符,即打开串口步骤中open函数的返回值。
    • 第二个参数 是缓冲区指针,用于保存读取的串口数据。
    • 第三个参数 是缓冲区长度,也表示本次最多能读取多少个字节。

    调用该函数,
    如果返回值大于0,表示有正确收到串口数据,且返回值等于读取到数据量的字节数。
    如果返回值小于或等于0, 表示有错误或者暂时没读到数据。

  4. 发送串口

    #include <fcntl.h>
    
    unsigned char buffer[4] = {0};
    buffer[0] = 0x01;
    buffer[1] = 0x02;
    buffer[2] = 0x03;
    buffer[3] = 0x04;
    int ret = write(fd, buffer, sizeof(buffer));
    

    write是系统函数,它提供了发送串口的功能,该函数需要三个参数:

    • 第一个参数 是串口描述符,即打开串口步骤中open函数的返回值。
    • 第二个参数 是待发送缓冲区指针。
    • 第三个参数 是待发送缓冲区长度

    调用该函数, 如果返回值大于0, 且返回值等于传递的第三个参数,表示发送成功。
    如果返回值小于或等于0,表示异常。

    [!Note] read函数只是顺序读取串口收到的数据流,但不能保证一次就读取完整的数据。
    例如,短时间内,串口收到了1000个字节的数据,缓冲区的长度为1024,虽然1024 > 1000,
    但可能我们第一次read后仅读取了一部分数据,所以我们需要多次read,才能保证数据读取完整。

  5. 关闭串口
    #include <fcntl.h>
    
    close(fd);
    
    close是系统函数,需要的参数是串口描述符,即打开串口步骤中open函数的返回值。

综合使用

以下是一个简单的Linux串口编程的完整例子,上面提到的几个基本步骤都有用到。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char** argv) {
  int fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY);
  if (fd < 0) {
    //打开串口失败,退出
    return -1;
  } 

  struct termios oldtio = { 0 };
  struct termios newtio = { 0 };
  tcgetattr(fd, &oldtio);

  newtio.c_cflag = B115200 | CS8 | CLOCAL | CREAD;
  newtio.c_iflag = 0; // IGNPAR | ICRNL
  newtio.c_oflag = 0;
  newtio.c_lflag = 0; // ICANON
  newtio.c_cc[VTIME] = 0;
  newtio.c_cc[VMIN] = 1;
  tcflush(fd, TCIOFLUSH);
  tcsetattr(fd, TCSANOW, &newtio);
  //设置为非阻塞模式
  fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);

  while (true) {
    unsigned char buffer[1024] = {0};
    int ret = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    if (ret > 0) {
      //依次将读取到的数据输出到日志
      for (int i = 0; i < ret; ++i) {
        LOGD("收到%02x", buffer[i]);
      }

      //当收到数据时,再将收到的数据原样发送
      int n = write(fd, buffer, ret);
      if (n != ret) {
        LOGD("发送失败");
      }

      //当收到0xFF时,跳出循环
      if (buffer[0] == 0xFF) {
        break;
      }
    } else {
      //没收到数据时,休眠50ms,防止过度消耗cpu
      usleep(1000 * 50);
    }
  }

  close(fd);
  return 0;
}

如何从软件上保证串口稳定通信

当我们将上面的例子尝试应用到正式产品的时候,会不可避免地遇到这些问题:

  1. 串口通信可能会受到一定的干扰,她是不可靠的。
    所以通常会制定通信协议, 这个协议一般包括帧头帧尾帧内容校验等部分,
    协议的使用可以最大程度地保证数据的完整性,使得串口通信变得可靠。

    举例:
    如果我们定义协议, 以 0xFF 0x55开头,后面跟上8个有效字节为完整的一帧。
    那么上面Linux串口通信的例子的代码大概会修改成这样子:

    //仅列出关键部分,其余代码省略
    while (true) {
     unsigned char buffer[1024] = {0};
     int ret = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
     if (ret > 0) {
    
       if ((buffer[0] == 0xFF) && (buffer[1] == 0x55)) {
         if (ret == 10) {
           LOGD("正确读到一帧数据");
         } else if (ret < 10) {
           LOGD("协议头正确,但是帧长度错误");
         }
       }
    
       //当收到数据时,再将收到的数据原样发送
       int n = write(fd, buffer, ret);
       if (n != ret) {
         LOGD("发送失败");
       }
    
       //当收到0xFF时,跳出循环
       if (buffer[0] == 0xFF) {
         break;
       }
     } else {
       //没收到数据时,休眠50ms,防止过度消耗cpu
       usleep(1000 * 50);
     }
    }
    
  2. 当我们将上面的代码用于实际测试,频繁的收发,很可能会遇到 协议头正确,但是帧长度错误 的情况。为什么?
    因为Linux系统调度或其他的原因,read函数不能保证一次性将当时串口收到的所有数据都返回给你,
    为了完整地读取串口数据,你需要多次调用read函数,然后将前后收到的数据拼接起来,再按协议校验数据,从中找到有效的帧。
    虽然这么做代码变得复杂,但它是合理的。
    根据刚才的分析,再将例子代码修改为这样子:

    //提高buffer数组的作用域,使得while循环中不会清空数据
    unsigned char buffer[1024] = {0};
    // 增加一个`legacy`变量,表示buffer中遗留的数据长度
    int legacy = 0;
    while (true) {
     //根据legacy的大小,调整缓冲区的起始指针及大小,防止数据覆盖
     int ret = read(fd, buffer + legacy, sizeof(buffer) - legacy);
     if (ret > 0) {
       if ((buffer[0] == 0xFF) && (buffer[1] == 0x55)) {
         if ((ret + legacy) == 10) {
           LOGD("正确读到一帧数据");
           //清空legacy
           legacy = 0;
         } else if (ret < 10) {
           legacy += ret;
           LOGD("协议头正确,但是帧长度不够,则暂存在buffer里");
         }
       }
    
       //当收到数据时,再将收到的数据原样发送
       int n = write(fd, buffer, ret);
       if (n != ret) {
         LOGD("发送失败");
       }
    
       //当收到0xFF时,跳出循环
       if (buffer[0] == 0xFF) {
         break;
       }
     } else {
       //没收到数据时,休眠50ms,防止过度消耗cpu
       usleep(1000 * 50);
     }
    }
    
  3. 实际应用中,我们不仅要处理串口通信,还要响应屏幕上各个按键等内容。
    上面的例子中,从main函数开始,接着就是一个while循环,然后一直处理着串口消息,做不了其他事。
    Linux系统支持 多线程 ,通常,我们会新建一个子线程,再将这个while循环部分放到子线程中处理,这样就不会耽误我们继续其他操作。
    如何修改,这里就不给出代码了。

总结

鉴于Linux上的串口通信编程,需要处理诸多细节的问题,FlyThings提供了一份通用代码,它解决了如下问题:

  • 串口的打开、关闭、读写操作
  • 协议的拼接处理
  • 提供统一的数据回调接口

这部分的源码是完全 开源 的,可以任意新建一个FlyThings项目, 源码在项目的 uart 文件夹下。
如果对比 UartContext类的源码,你应该可以从中看到本篇文档的影子。

希望可以通过本篇文档,可以让你熟悉FlyThings项目的串口通讯部分的内容。

powered by Gitbooklast modified: 2020-07-30 14:51:46

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