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: 2021-05-28 12:00:31

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